正极材料对锂离子电池的性能起着非常重要的作用。其中，富锂层状正极材料具有250mAh/g以上的比容量和较高的充放电平台，有望提高锂离子电池的能量密度，满足电动汽车和智能电网的需求。此外，无钴富锂层状正极材料，避免稀缺资源钴的使用，能大大降低使用成本。
然而，当富锂层状正极材料充电电压达到4.5 V以上时，晶格氧发生不可逆的释放，同时过渡金属占据原来锂脱出留下的锂位点，导致充电过程中脱出的锂在放电过程中不能完全回嵌，因此富锂层状正极材料存在较大的不可逆容量损失。同时，由于过渡金属的迁移和晶格氧的释放导致材料发生相变，由原来的层状结构转变成了尖晶石相，材料的循环性能和倍率性能也发生衰减。
针对上述问题，近期上海科技大学物质学院刘巍课题组开发出Fe和Cl共掺杂的富锂层状正极材料，相对于未掺杂和单元素掺杂具有更高的比容量和结构稳定性。Fe和Cl的掺杂扩大了锂层间距，促进了锂离子的扩散，因此提高了材料的倍率性能。另外，Fe和Cl的掺杂增强了阴阳离子之间的结合能，减少了不可逆的氧释放，因此有利于提高材料的首次库伦效率，减缓电压衰减，增强材料的循环稳定性。同时，由于Fe这种金属元素来源丰富，可以兼顾价格低廉和绿色环保，具有较大的未来应用前景。该成果以题为“Cation/anion codoped and cobalt-free Li-rich layered cathode for high-performance Li-ion batteries”发表于国际知名学术期刊Nano Letters。
图1 富锂材料中阴阳离子共掺杂的过程及其作用机理示意图。
论文链接：
https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c02923