锂离子电池 (LiB) 是一种可充电电池，其锂离子在阳极(即负极)和阴极(即正极)之间移动，目前用于为市场上大多数便携式电子设备供电。这类电池具有多种优势，包括相对较长的使用寿命、较轻的重量以及与其尺寸成比例的良好能量密度。

过去几十年来，能源工程师们一直在尝试制定策略，进一步提高这些电池的能量密度和耐用性。这可能有助于未来各种电子产品的发展，包括智能手机、笔记本电脑、可穿戴设备和电动交通工具。

提高电池能量密度的一种方法需要设计或增强阴极材料，即电池单元中吸引正离子的电极。过去的研究表明，镍含量高的层状阴极材料可以提高锂离子电池的最大充电电压。然而，使用这类材料通常也会降低电池的循环稳定性，导致电池在反复充放电循环中性能下降得更快。

北京大学、上海交通大学、中国科学院等机构的研究人员最近设计出一种稳定层状阴极的有效策略，从而提高高能锂离子电池的耐久性，减缓其衰减时间。他们发表在《自然能源》杂志上的一篇论文概述了这种方法，该方法需要在富镍材料中添加掺杂剂(即外来原子)。

廖恒毅、唐玉峰及其同事在论文中写道：“用于极端条件的高能量密度锂离子电池需要在恶劣操作条件下保持稳定的阴极，包括超高截止电压和极端温度。”

对于富镍层状正极，将充电电压从 4.3 V 提升至 4.8 V(相对于 Li + /Li)可以提高能量密度，但这会牺牲循环稳定性，并且仍然具有挑战性。我们报告了一种掺杂配对方法，该方法在 Na +的促进下，在 LiNi 0.8 Co 0.1 Mn 0.1 O 2中实现了高度富集的 Ti 4+ (约 9 纳米表面层) ，从而显著提高了高压循环性能。如此高的表面 Ti 4+浓度在没有 Na +配对的情况下是无法实现的，这代表了层状正极基质中的一种过饱和形式。

本质上，研究人员提出将钛离子 (Ti 4+ ) 与钠离子 (Na + ) 配对，在富镍阴极上形成一层富含​​ Ti⁴⁺ 的薄表面层。研究发现，阴极材料表面的高 Ti⁴⁺ 浓度可以增强材料的结构完整性，从而限制可能导致材料降解的不良副反应。

作者写道：“增强的稳定性与结构完整性的改善和阴极-电解质副反应(例如，O 2和 CO 2 的释放)的减少有关。” “此外，即使在 4.8 V 下长时间循环后，离子传输也能得到更好的保持。这项研究凸显了过饱和高价 d 0阳离子 M z + (z ≥ 4) 在改变阴极-电解质相互作用和降解途径方面的能力。”

这项最新研究为制造兼具高能量和耐用性的锂离子电池(LiB)提供了一种新的可行途径。其他研究团队可以很快采用这些研究人员设计的策略，并测试集成了所得正极材料的锂离子电池的性能。未来，这种基于掺杂剂配对的新方法有望助力开发下一代锂离子电池，以满足电动汽车和电网规模储能等高要求的实际应用需求。

更多信息： Hengyi Liao 等，通过过饱和高价态阳离子设计实现 4.8 V 下卓越的层状正极稳定性，《自然能源》 (2025)。