我們都希望日常用的手機鋰電池體積小使用時間長，這需要正極和負極材料在盡可能小的體積空間儲存更多鋰離子並且能夠快速可逆充放電，具有高的穩定的儲能密度和功率密度。商業化的手機鋰電池正極材料通常用鈷酸鋰層狀氧化物，其理論可逆比容量是274mAhg^-1（全部的鋰離子脫出來和嵌進去），提高工作電壓可以讓越來越多的鋰離子從晶格中脫出來，但結構容易發生不可逆的過渡金屬鈷離子遷移和不穩定的氧陰離子流失，產生有害的不可逆結構相變和氧氣釋放行為。因此，長期以來人們認為像鈷酸鋰（LCO）這樣的層狀結構中只有50—60%的鋰可以在充放電過程中可逆脫嵌🏊🏿，對應獲得140—165mAhg^-1的可逆容量🚴🏼。

不斷提高工作電壓是鈷酸鋰正極不斷趨近其理論比容量的最直接方法🟢，為了提高在高電壓下的結構穩定性通常采用元素摻雜和表面包覆等改性方法，這可以在一定程度上提高材料體相和表面結構的穩定性🫳🏼👰🏼‍♂️，允許將工作電壓提高到4.5和4.6V，使鋰利用率提高到70—80%，相當於190—220mAhg^-1的比容量🚰。構造表面尖晶石相結構和高熵結構的策略也可以有效抑製界面副反應和表面相變🥴，從而提升材料性能。最近一些工作雖然將鈷酸鋰推向了4.7V和4.8V的超高工作電壓，但這些工作中的改良方法會導致界面阻抗升高引起過電位增加，使得實際的有效工作電壓被限製在4.6V左右，對應鋰的利用率也限製在80—85%（相當於220—230mAhg^-1）🤦，同時這種高容量還會導致材料快速的電化學衰減行為。到目前為止🏄🏻‍♀️，幾乎所有報道的層狀正極都存在由於反復脫嵌鋰過程中各向異性的晶格應變帶來的機械疲勞和顆粒微裂紋🌓，尤其在高脫鋰的狀態下。微裂紋的形成還會使材料產生新的表面並暴露在電解液中，引發嚴重的界面副反應和有害的相變。因此，在商業應用中提高鋰的可逆充放電利用率同時保持高的電化學穩定性仍然是一個巨大的挑戰🐎。

圖1. 從界面到體相梯度無序結構鈷酸鋰

意昂3体育官网深圳研究生院新材料學院潘鋒教授團隊研發鋰電池鈷酸鋰正極材料取得重要突破👦🏿，首次實現儲能密度接近理論極限。團隊創新性地設計了一種梯度無序結構的鈷酸鋰正極（GDLCO）🎧，解決了層狀正極中長期存在的由於高電壓充放電引發應力集聚導致機械化學失效問題👩🏽‍🏭。該梯度無序的結構最外表面為巖鹽相結構𓀍，並逐漸往部分無序的次表面和具有少量反位無序的體相結構過渡（圖1）。該正極材料界面阻抗低有效電壓高以及表現出對化學機械應變的強大抵抗力，有效抑製了微裂紋的形成，最大限度地減少了界面副反應的發生，並減輕了材料在高電壓下的不可逆相變。因此，該新型結構的鈷酸鋰GDLCO具有了極高的實際可逆容量，將鈷酸鋰中鋰的利用率推高至93%（256mAhg^-1🔺，接近理論容量）🧙🏿‍♂️，同時還能表現出超越現有高電壓鈷酸鋰材料的高循環穩定性🔭，這些優異的性能在需要高能量與高功率的無人機電池上有良好的應用（圖2）。相關研究成果以“Mechanochemically Robust LiCoO₂ with Ultrahigh Capacity and Prolonged Cyclability”為題，發表於國際頂級能源期刊《先進材料》（Advanced Materials👩🏿‍🚒，DOI: 10.1002/adma.202405519🧑🏼‍🦰🤸‍♂️，影響因子29.4）上🔚。團隊正在推進該新材料的產業化。此外，這一突破有助於後續進一步開發實用、高性能的新型正極材料。

圖2. 梯度無序結構鈷酸鋰軟包全電池的電化學性能

該工作在潘鋒的指導下完成🧿，意昂3体育官网深圳研究生院新材料學院博士畢業生黃偉源、李建元以及副研究員趙慶賀為文章的共同第一作者🤱🏿，香港中文大學（深圳）張明建、美國阿貢國家實驗室劉同超和Khalil Amine院士🤷🏻🤖，以及潘鋒為該研究工作的共同通訊作者⬅️。該研究得到了廣東省和深圳重點實驗室、廣東省自然科學基金的支持。