“可乐+三元”缓解锂电能量焦虑？

上海交通大学材料科学与工程学院讲席教授黄富强团队、清华大学助理教授董岩皓团队将三元材料浸入可乐中，发现二氧化碳气泡会定向包裹三元材料颗粒，形成部分锂离子空位，将地球储量丰富的钙离子填充进空位后生成的表面钝化层可大幅提升正极材料的稳定性，缓解锂离子电池能量焦虑。

该成果20日在线发表于材料科学国际顶级期刊《先进材料》。

文章评审专家认为，该研究给出了一种具有超高化学稳定性、超高结构弹性、超高离子电导的优异界面改性技术，利用过饱和的二氧化碳气泡可将锂电层状正极材料的电压稳定在4.8V高电压，这种全新的“气泡靶向封装+表面钝化”材料界面改性技术将有助于大幅提升现有动力汽车用锂离子电池的能量密度和续航里程，商用前景广阔。

图为可乐气泡靶向封装与掺杂金属离子表面钝化技术示意图。 上海交通大学材料科学与工程学院讲席教授黄富强团队供图

科学研究的灵感常常源自生活。在可乐中插入一根纸吸管，饮料中的气泡会加剧产生、甚至溢出。这是因为粗糙的纸吸管表面为可乐中的二氧化碳提供了丰富的成核位点，在微观结构中形成了连续的二氧化碳膜。

利用这一原理，黄富强、董岩皓团队用三元电池材料取代纸吸管，三元材料的粗糙表面也会为二氧化碳气泡提供丰富的成核位点，促进二氧化碳气泡与三元材料的化学反应，从而生成表面高度均匀的“碳酸锂基底层”并留下一些锂离子空位，研究人员将这一过程称之为“气泡靶向封装”。

进一步研究发现，“碳酸锂基底层”还是室温下掺杂各种金属离子的优良基底。以地球储量丰富的钙为例，将钙离子掺杂进“碳酸锂基底层”，部分锂离子空位会被填充形成具有极高弹性的含钙离子的碳酸锂“表面钝化层”。“表面钝化层”不仅有助于抵抗三元正极界面间的副反应，抑制氧气的析出，减少材料相变，提升正极材料的稳定性，而且还能作为“缓冲器”，缓解电池材料外表面与内部晶界的应力，系统提升电池能量密度。

文章第一作者、北京大学化学与分子工程学院博士生廖恒毅介绍，研究发现，掺杂金属离子的选取也十分讲究。为此，他们引入“堆积因子”计算模型，用于指导弹性“表面钝化层”的构建。“‘堆积因子’简单讲，就是材料的实际体积除以所占空间体积。堆积因子的数值越低，意味着材料晶体结构的堆积越松散，表面钝化层的弹性越高。计算结果证实，钙、铝、锶、稀土离子都是堆积因子较低、能构建出理想的超高弹性表面钝化层的优异掺杂离子。”

进一步电池测试表明，三元锂电在1C倍率、100次循环后，容量保持率高达91.2%；当电压进一步提升至4.8V时，三元锂电正极材料可拥有918Wh/kg的超高能量密度和100次循环后89.5%的优异容量保持率，优于市场主流高镍/超高镍正极材料。将“气泡靶向封装+表面钝化”界面改性技术进一步推广，研究团队发现，不仅三元锂电正极材料可以适用于该界面改性技术，钴酸锂、富锂锰等具有超高能量密度潜力的层状正极锂电材料均可适用。

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