隨著5G智能電子設備的迅猛發展，對更高安全性、智能化、輕量化設計以及更長續航時間的需求日益迫切。而現有的商用LiCoO2正極材料已難以滿足高能量密度鋰離子電池的要求。盡管將上限截止電壓提升至4.5 V以上可以實現更高的容量，但隨之而來的機械穩定性問題愈發顯著，導致循環性能進一步下降。這一現象主要源于鋰離子嵌入/脫嵌過程中晶格各向異性的膨脹與收縮，進而引發不可逆相變，特別是有害的O1相形成，造成嚴重的體積變化和顆粒內部應力累積。此外，由于鋰離子擴散速率的差異，導致顆粒內部鋰離子分布不均勻，這可能引發內部應變及局部晶格失配。在長循環過程中，LiCoO2顆粒中的晶格應變會加速塑性變形，表現為裂紋甚至斷裂。這些裂紋使更多新鮮表面和內部區域暴露于電解液中，引發額外的界面副反應，并伴隨不期望的相變和過渡金屬溶解。而傳統的 LiCoO2 顆粒具有不規則且不對稱的結構，導致從粒子核心到表面的鋰離子擴散路徑長度不一。傳統LiCoO2顆粒具有不規則且不對稱的結構，導致從粒子核心到表面的鋰離子擴散路徑長度不一，這種差異會在循環過程中造成鋰離子嵌入/脫嵌的不均勻性，從而促進應力的累積。因此，從力學角度出發，優化粒子形態可以有效緩解LiCoO2正極材料內部應力集中。
南京大學現代工程與應用科學學院郭少華、周豪慎教授課題組聯合阿貢國家實驗室劉同超研究員提出了一種通用的正極形貌塑造策略。該策略能夠在高充電截止電壓條件下實現正極體相反應的均勻性，并顯著降低內部應力。通過設計扁平多邊形棱柱狀鈷酸鋰(P-LCO)顆粒，使其沿c軸呈現規則對稱排列，從而實現了更加均勻的鋰離子脫、嵌反應，有效抑制了有害O1相的轉變，并減少了充放電過程中的晶格體積變化。這不僅有助于緩解局部應力積累、錯配位錯及顆粒開裂現象，還最終保持了正極材料的機械穩定性。因此，P-LCO能夠在突破電壓上限的情況下，在4.75V的超高電壓下展現出卓越的循環穩定性。
圖1、P-LCO正極材料的結構與形貌特征。(a) P-LCO的精修XRD圖。(b) P-LCO的SEM圖 (c) P-LCO的HAADF-STEM圖像。(d) 通過有限元模擬研究P-LCO和LCO正極顆粒在充電過程中的應力分布情況。
圖2、在4.75 V時正極材料的結構演變及脫鋰均勻性分析。(a) P-LCO
聲明：
“南大郭少華/周豪慎教授團隊JACS：精準合成耐高壓4.75 V鈷酸鋰正極材料” 該技術專利(論文)所有權利歸屬于技術(論文)所有人。僅供學習研究，如用于商業用途，請聯系該技術所有人。
我是此專利(論文)的發明人(作者)
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編輯：中冶有色網
來源：南京大學
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2025年06月06日 ~ 08日 
