上世紀80年代發現的LiCoO2正極在今天的鋰離子電池市場仍占有一席之地。眾所周知，LiCoO2正極具有高的理論能量密度（274 mAh/g）、高的鋰離子及電子電導率、高的壓實密度。要充分發揮LiCoO2正極的儲鋰潛力，就要提高LiCoO2正極的充電截止電壓。

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然而，LiCoO2正極在高電壓下的穩定性差，這是因為LiCoO2正極在高電壓下發生了以下不可逆變化：

1. 不可逆相變（O3→O1–O3）;

2. 過渡金屬層發生滑移；

3. O3相發生結構坍塌；

4. 內應力引起裂紋產生及顆粒粉化；

5. 晶格氧脫出進一步引起相變，并帶來安全隱患；

6. 高價態Co/O引起電解液氧化副反應。

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上述原因使LiCoO2正極發生不可逆容量衰減，使其庫倫效率下降。總之，由于LiCoO2正極在高電壓下不穩定，難以通過提高充電截止電壓的途徑提高LiCoO2正極的可逆比容量。

陽離子摻雜是提高LiCoO2正極高電壓穩定性的有效途徑。然而，過渡金屬陽離子在LiCoO2中的固溶度極低，且遠低于文獻報導的摻雜濃度。此外，實際工業摻雜濃度一般比科研采取的摻雜濃度低2-3個數量級。因此，需要重新考察摻雜離子在LiCoO2正極中所起到的真正作用。

為此，中科院物理所禹習謙、李泓團隊連同美國SALC國家加速器實驗室Yijin Liu等（共同通訊作者）向LiCoO2正極中共摻雜Ti、Mg、Al（每種摻雜元素的質量分數都是0.1 wt%），在低摻雜量下研究各摻雜元素的作用。

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研究發現，Al和Mg均能摻入LiCoO2晶格，并能抑制高電壓下的相變。而Ti即使在低至痕量的摻雜濃度下也不能摻入LiCoO2晶格，而是偏聚在LiCoO2顆粒的表面或晶界，引起表面結構優化，并加快表面鋰離子擴散，有利于內應力均勻分布。此外，偏聚在表面和晶界的Ti原子也能降低表面氧原子的氧化還原活性，減少電極-電解液界面的副反應。

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DFT表明，痕量Ti、Mg、Al共摻雜通過調控LiCoO2正極的微觀結構及電子結構，提高了LiCoO2正極在高電壓下的穩定性。

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該工作以“Trace doping of multiple elements enables stable battery cycling of LiCoO2 at 4.6 V ”為標題于2019年6月17日發表在國際頂刊Nature Energy上。

Trace doping of multiple elements enables stable battery cycling of LiCoO2 at 4.6?V （Nature Energy, 2019，DOI: 10.1038/s41560-019-0409-z）

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