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上海交通大學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電池材料浸入可樂中，發現二氧化碳氣泡會定向包裹三元電池材料顆粒，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。該成果近期發表于國際學術期刊《先進材料》。 黃富強介紹，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。 利用該原理，團隊用三元電池材料取代紙吸管，其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電池材料的化學反應，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為“氣泡靶向封裝”。 團隊研究發現，“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，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。  可樂氣泡靶向封裝與摻雜金屬離子表面鈍化技術示意圖（受訪者供圖） 團隊引入“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。 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。 |
