乔羽教授课题组在锂电正极材料结构的相关研究中取得重要进展。相关成果以“Does “Zero-Strain” Lithiated Spinel Serve as a Strain Retardant and Irreversible Phase Transition Regulator for Layered Oxide Cathode?”为题发表在Chemical Science（DOI: 10.1039/D4SC03006K）。
层状锂电正极具有在氧化物晶格框架内连续脱嵌锂离子的能力，在开发长循环高容量材料方面展现出巨大潜力。然而，在高压条件下，这些材料会面临严重的结构不稳定性，导致可逆容量迅速下降。因此，对层状锂电正极进行改性从而提高其电化学性能一直是研究的热点。传统方法如包覆和掺杂，往往引入惰性物质进而降低理论容量，同时成本和工艺复杂性也亟待优化。近年来，通过构建异质结构来有效结合不同组分优势的新兴锂电正极设计策略受到了广泛的关注。这一策略在缓解层状组分应变及抑制不可逆相变方面表现出显著优势，有助于协同提升电化学性能。然而，设计一种具有成本效益、方法简便且与层状结构相兼容的异质结正极仍然面临巨大挑战。这是因为关于异质结对性能影响的机制尚未得到充分研究，相关讨论往往缺乏清晰性与普适性，使得该策略进一步优化的方向仍然不确定。
我院乔羽教授团队与中国科学院高能物理研究所黄换研究员、青海民族大学秦亚茹副教授（我院援青计划合作导师）、厦大衢州研究院蒯笑笑研究员合作，以经典的钴酸锂为例，通过简便的温度调控合成并结合系统的表征与分析，深入研究了层状-尖晶石异质结正极的结构演变和锂离子扩散途径。研究结果表明，低温钴酸锂组分具有零应变的特征，在充放电过程中能够减轻应变并抑制层状结构的不可逆相变。然而，与普遍认知不同，低温合成的钴酸锂并非纯相，而是具有以尖晶石为主，含有少量层状（layered）和立方层状（cubic layered）的复杂结构，使得该异质结正极中的锂离子扩散受阻，从而影响了整体性能。该研究总结，单纯关注异质结在结构调节和缓解应力方面的作用是一种错误的设计方向，同时强调锂离子扩散通路的合理设计同样不可忽视。这要求在实际应用中对组分的选择和设计进行更全面的考虑，层状-尖晶石异质结并非一种普适的策略。这一研究为锂电正极新型结构设计提供了批判性的思考，并为高比能层状氧化物正极的研发提供了宝贵的见解和研究方向。
层状-尖晶石异质结钴酸锂设计思路示意图
该项研究工作在乔羽教授的指导下完成，第一作者为我院2024级博士研究生吴子欣。该论文得到国家重点研发计划（2021YFA1201900），国家自然科学基金（22179111、22021001、52106090、T2325012），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。
