近日，王强教授团队（冶金与材料过程外场控制研究团队）在锂离子电池正极材料界面调控方面的研究取得重要进展。研究成果以“Oxygen Vacancies Design of Anionic Site to Optimize Electrode-Electrolyte Interface Properties on Li-rich Cathode”为题发表在美国化学学会期刊（自然指数期刊）《Nano Letters》上。太阳集团tyc33455博士研究生叶芸为论文第一作者，王强教授和袁双特聘研究员为共同通讯作者，太阳集团tyc33455为唯一通讯单位。
研究团队通过气固界面反应在锂离子电池富锂正极材料Li1.2Mn0.54Ni0.13Co0.13O2（LRO）表面可控地引入氧空位（Vos）。在富锂正极材料中，氧空位在调节阴离子氧化还原反应中起着至关重要的作用。一方面，由于晶格氧提取和不可逆氧释放，氧空位在循环过程中不可避免地形成。这些空位从表面扩散到体相中，诱导过渡金属离子迁移和结构降解。另一方面，在材料合成过程中设计并引入氧空位可以提高富锂正极材料的电导率、界面稳定性以及电化学性能。为了最大限度地发挥Vos的优势，确定表面空位的最佳浓度，阐明其变化对正极材料的电压衰减和氧气释放的影响机制，作者通过系列实验实现了规律性调控氧空位含量，并定量计算了Vos的最佳相对浓度。这项研究提出了一种逐步调节Vos浓度的新方法，并进一步揭示了Vos浓度对材料循环降解的影响机制，为富锂正极材料表面缺陷构建提供了理论支撑。
富锂正极材料（LRO）因其超高的能量密度（>900 Wh kg-1）而被认为是最有前景的下一代锂离子电池正极材料。LRO的高能量密度源于其独特的阴离子氧化还原（AR）机制。然而，电池循环过程中过渡金属离子的迁移和AR引起的不可逆氧释放是LRO结构退化和电压衰减的主要原因，限制了LRO的大规模商业化发展进程。目前通过掺杂、包覆等方法稳定LRO正极的表面结构被认为是提高材料界面稳定性和延长电池寿命的有效策略。本研究主要在孤立的Li-O-Li构型内诱导形成表面Vos，有效地减轻了在这种构型中优先发生的O氧化和不可逆氧气释放。引入合适浓度的Vos会减弱脱锂过程中氧的平均价态变化，从而提高LRO中晶格氧的稳定性。此外，较高Vos浓度对表面电极-电解质界面（EEI）层和尖晶石相形成的促进作用，从而抑制了界面副反应并提高了表面稳定性。目前，对LRO表面EEI层的组成和形成机制的认识仍然不足，本研究为利用EEI界面层提高LRO的电化学性能提供了新方法。
图注(a) H2诱导形成氧空位示意图，(b) DFT理论计算验证界面稳定性提高，（c）Vos浓度的规律性变化（d）Vos构建位点及表面EEI界面的形成（e）Vos缓解不可逆氧气释放
原文链接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.5c03025
