“可樂+三元”緩解鋰電能量焦慮？

上海交通大學材料科學與工程學院講席教授黃富強團隊、清華大學助理教授董巖皓團隊將三元材料浸入可樂中，發現二氧化碳氣泡會定向包裹三元材料顆粒，形成部分鋰離子空位，將地球儲量豐富的鈣離子填充進空位后生成的表面鈍化層可大幅提升正極材料的穩定性，緩解鋰離子電池能量焦慮。

該成果20日在線發表于材料科學國際頂級期刊《先進材料》。

文章評審專家認為，該研究給出了一種具有超高化學穩定性、超高結構彈性、超高離子電導的優異界面改性技術，利用過飽和的二氧化碳氣泡可將鋰電層狀正極材料的電壓穩定在4.8V高電壓，這種全新的“氣泡靶向封裝+表面鈍化”材料界面改性技術將有助于大幅提升現有動力汽車用鋰離子電池的能量密度和續航里程，商用前景廣闊。

圖為可樂氣泡靶向封裝與摻雜金屬離子表面鈍化技術示意圖。 上海交通大學材料科學與工程學院講席教授黃富強團隊供圖

科學研究的靈感常常源自生活。在可樂中插入一根紙吸管，飲料中的氣泡會加劇產生、甚至溢出。這是因為粗糙的紙吸管表面為可樂中的二氧化碳提供了豐富的成核位點，在微觀結構中形成了連續的二氧化碳膜。

利用這一原理，黃富強、董巖皓團隊用三元電池材料取代紙吸管，三元材料的粗糙表面也會為二氧化碳氣泡提供豐富的成核位點，促進二氧化碳氣泡與三元材料的化學反應，從而生成表面高度均勻的“碳酸鋰基底層”并留下一些鋰離子空位，研究人員將這一過程稱之為“氣泡靶向封裝”。

進一步研究發現，“碳酸鋰基底層”還是室溫下摻雜各種金屬離子的優良基底。以地球儲量豐富的鈣為例，將鈣離子摻雜進“碳酸鋰基底層”，部分鋰離子空位會被填充形成具有極高彈性的含鈣離子的碳酸鋰“表面鈍化層”。“表面鈍化層”不僅有助于抵抗三元正極界面間的副反應，抑制氧氣的析出，減少材料相變，提升正極材料的穩定性，而且還能作為“緩沖器”，緩解電池材料外表面與內部晶界的應力，系統提升電池能量密度。

文章第一作者、北京大學化學與分子工程學院博士生廖恒毅介紹，研究發現，摻雜金屬離子的選取也十分講究。為此，他們引入“堆積因子”計算模型，用于指導彈性“表面鈍化層”的構建。“‘堆積因子’簡單講，就是材料的實際體積除以所占空間體積。堆積因子的數值越低，意味著材料晶體結構的堆積越松散，表面鈍化層的彈性越高。計算結果證實，鈣、鋁、鍶、稀土離子都是堆積因子較低、能構建出理想的超高彈性表面鈍化層的優異摻雜離子。”

進一步電池測試表明，三元鋰電在1C倍率、100次循環后，容量保持率高達91.2%；當電壓進一步提升至4.8V時，三元鋰電正極材料可擁有918Wh/kg的超高能量密度和100次循環后89.5%的優異容量保持率，優于市場主流高鎳/超高鎳正極材料。將“氣泡靶向封裝+表面鈍化”界面改性技術進一步推廣，研究團隊發現，不僅三元鋰電正極材料可以適用于該界面改性技術，鈷酸鋰、富鋰錳等具有超高能量密度潛力的層狀正極鋰電材料均可適用。

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