结合前期大量的实验结果与理论计算分析，研究团队首次提出利用失效材料本征结构缺陷降低掺杂元素扩散能垒，从而增强了原子扩散，并实现掺杂原子精准占位的功能化再生机制。该机制巧妙利用了失效材料由于长期循环造成的表面缺陷和内部锂空位等“不利”结构特征，使其为原子的定向扩散提供了通道。基于该机制设计的功能化再生方法，可以同步实现锂元素的补充以及关键原子的精准占位，在过渡金属层间提供支撑作用，大幅增强层状结构在高电压下大量脱锂时的稳定性，将失效钴酸锂一步再生为在4.6V高电压下超稳定的高电压钴酸锂，300圈循环后容量保持率依然可达80%，是目前同类材料（包含从商业前驱体制备的高压钴酸锂材料）报道的最佳结果之一（图1）。该方法大幅缩短了失效钴酸锂转化为高电压钴酸锂的流程，并将再生产物的经济价值提升了20%以上，对回收产物的功能化再利用具有重要的借鉴意义。
图1.失效钴酸锂一步转化为高电压钴酸锂流程
通过对掺杂元素功能与原子占位的理解，研究团队结合表面改性与体相掺杂策略，设计并制备了具有表面保护层与梯度体相掺杂的高电压钴酸锂材料，将其充电截止电压从4.6V进一步推升至4.7V，突破了4.6V钴酸锂电池稳定循环的截止电压瓶颈（图2）。所得材料在4.7V截止电压条件下循环200圈，容量保持率仍然超过80%，远远优于现有的商业化钴酸锂正极，可对进一步提升再生正极材料的能量密度提供重要指导。
图2.具有超高截止电压的钴酸锂结构分析
相关研究成果以“将废旧钴酸锂可持续地升级为在高电压下超稳定循环的电池正极”（Sustainable upcycling of spent LiCoO2 to an ultra-stable battery cathode at high voltage）和“通过界面稳定和能带结构调控实现4.7V的超高电压的钴酸锂”（Ultrahigh-voltage LiCoO2 at 4.7V by Interface Stabilization and Band Structure Modification）为题分别发表在《自然·可持续性》（Nature Sustainability）和《先进材料》（Advanced Materials）上。
清华大学深圳国际研究生院成会明教授、周光敏副教授为文章通讯作者。上海交通大学梁正副教授为“将废旧钴酸锂可持续地升级为在高电压下超稳定循环的电池正极”的共同通讯作者，清华大学深圳国际研究生院2020级博士后王俊雄、2021级研究生马骏，上海交通大学2019级联合培养博士生贾凯为共同第一作者。清华大学深圳国际研究生院2021级研究生庄兆丰、2020级博士后王俊雄，2019级联合培养博士生贾凯为“通过界面稳定和能带结构调控实现4.7V的超高电压的钴酸锂”的共同第一作者。电池回收的相关工作得到国家自然科学基金委、科技部、广东省科技厅、深圳市科创委等部门的支持。
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41893-023-01094-9
https://doi.org/10.1002/adma.202212059
供稿：深圳国际研究生院
题图设计：刘雨田
编辑：李华山
审核：郭玲
2023年05月07日 14:42:06
