高性能陶瓷正極是锂離子電池的核心組成部分。未來锂電技術的可持續、高質量發展對正極材料提出了更高的要求，需要進一步提升其容量與能量密度，同時去除鎳、钴等低豐度過渡金屬元素。不含鎳钴的富锂無序岩鹽正極因其容量高、成分設計相空間大等優勢，近年來受到了廣泛關注。然而富锂無序岩鹽正極面臨着循環穩定性差的瓶頸難題，在高電壓下的失氧問題亟待解決。以磷酸鐵锂為代表的聚陰離子正極具有優異的結構和電化學穩定性，是高穩定性正極的代表，但容量與能量密度較低。如何将高比能富锂無序岩鹽正極和高穩定性聚陰離子正極，從原子尺度進行材料集成，取長補短、形成合力，是新型正極材料研發的一大難點和挑戰。

基于上述背景，清華大學董岩皓助理教授與合作者美國麻省理工學院李巨教授提出了陽離子缺位和類尖晶石有序化的材料設計理念（圖1），開發了一種不含鎳钴的高比能富锂岩鹽-聚陰離子集成正極。通過材料與結構表征，表明聚陰離子基團能夠在納米尺度固溶進入無序岩鹽材料晶格，從而有效穩定晶格氧，抑制高電壓下的失氧問題和電化學衰減現象。電化學性能測試表明，相較于傳統的富锂無序岩鹽正極，富锂岩鹽-聚陰離子集成正極的循環穩定性得到了大幅提升。研究表明，包括磷酸根、硼酸根等在内的多種聚陰離子集團均能有效提升電化學性能和穩定性，為新型锂電正極的開發提供了思路。

圖1. 富锂岩鹽-聚陰離子集成正極的材料設計理念

相關研究成果以“循環穩定的富锂岩鹽-聚陰離子集成正極”（Integrated rocksalt-polyanion cathodes with excess lithium and stabilized cycling）為題，作為封面文章（圖2）發表于《自然·能源》（Nature Energy）2024年第12期，被期刊編輯部點評為“珠聯璧合”（Harnessing the strengths of both worlds”）。美國SLAC國家加速器實驗室和斯坦福大學賈格吉特·南達（Jagjit Nanda）教授受邀撰寫了評論文章“聚陰離子穩定的陰離子氧化還原”（Polyanions stabilize anion redox）。

圖2. 《自然·能源》（Nature Energy）2024年第12期封面

美國麻省理工學院黃祎萌博士後為本文第一作者，beat365董岩皓助理教授和美國麻省理工學院李巨教授為共同通訊作者。

論文鍊接：

https://doi.org/10.1038/s41560-024-01615-6