基于Li2CO3正极补锂剂的晶格工程构建高比能锂离子电池

乔羽教授课题组在设计应用于高比能锂离子电池Li₂CO₃基正极补锂剂的研究中取得重要进展。相关成果以“Lattice Engineering on Li₂CO₃-Based Sacrificial Cathode Prelithiation Agent for Improving the Energy Density of Li-Ion Battery Full-Cell”为题发表在Advanced Materials上（Doi:10.1002/adma.202312159）。

随着电动汽车和电化学储能的快速发展，传统的锂离子电池体系(LIBs)难以满足日益增长的能量密度需求。在实际应用中，仅提高正极的能量密度对全电池的影响有限，因为负极在首圈循环中形成固态电解质界面（SEI）时会消耗大量活性锂离子，降低电池整体的能量密度。因此发展正极补锂技术来补充负极的活性锂损失，对构建下一代高比能锂离子电池至关重要。牺牲型正极补锂剂凭借其原位添加、高稳定性和安全性的特点，已成为学术界和工业界都广泛研究的补锂技术。Li₂CO₃ 拥有高理论容量、良好的空气稳定性且分解后无残留，是正极补锂剂中有潜力的候选者。然而，Li₂CO₃是一种电导率差、带隙宽的绝缘体，难以通过电化学分解释放其高理论容量完成活性锂补偿。

晶格工程激活Li₂CO₃基正极补锂剂分解实现负极锂补偿示意图

基于此，我院乔羽教授课题组开发了一种基于球磨工艺的晶格工程技术。该技术主要包括：（1）选用LiCoO₂（LCO）作为过渡金属源，通过原材料与球磨珠之间的碰撞将原料粉碎并缝合，从而实现相间结合，并将球磨后的部分LCO作为外部导电框架；（2）剧烈碰撞产生的局部高温和压力效应能够实现元素融合。利用这一效应，将Co植入到Li₂CO₃的晶格中。通过全面的表征与分析证明了Co取代了Li₂CO₃中部分Li位点并引入Li缺陷，实现了Li缺陷、Co的体相催化调控以及外部球磨后LCO导电框架的协同作用。因此，Li₂CO₃的禁带宽度降低且Li-O键强被削弱，使得Li₂CO₃整体电导率显著上升，从本征的绝缘体变成易于电化学分解的半导体。此外，通过结合电化学原位/非原位质谱和光谱技术，明晰了氧阴离子参与电荷补偿的反应途径。该工作还结合晶格工程对植入原子局域环境和特殊位点精确调控的独有优势，拓展了其在废旧回收以及过充保护方面的应用，为面向高比能锂离子电池体系的牺牲型补锂剂和正极材料设计开辟了一条新的途径。

该项研究工作在乔羽教授的指导下完成，2022级硕士生朱元龙和2023级博士生陈毅龙为共同第一作者。该论文得到了国家自然科学基金（22179111、22021001）、中国科学技术部（2021YFA1201900）、嘉庚创新实验室基础研究项目（RD2021070401）等，以及固体表面物理化学国家重点实验室的支持。