我验二维材料化学与能源应用研究组（508组）吴忠帅研究员团队与北京大学潘锋教授和中国科学院山西煤炭化学研究所陈成猛研究员合作，提出了一种正极界面工程策略，通过氟化4.45V商业钴酸锂（LiCoO2，LCO）的近表面晶格，开发出4.6 V下的快充稳定长循环正极材料。
LCO材料是消费类电子产品的首选锂离子电池正极。随着技术的进步，对锂离子电池快充与能量密度的需求也日益增长。提升充电电压是提高其能量密度的关键，如4.6V LCO的电池比容量可达220mAh/g，优于传统4.4 V的170mAh/g。然而，高电压下LCO的界面不稳定性及深度脱锂状态下Li+的高通量扩散导致的不良相变，极大限制了其在快速充电方面的应用。
本工作中，研究团队发展了表界面梯度氟化策略，提升了4.6V高压LCO（F-LCO）快充长寿命性能。团队通过多种表征技术系统探究了高电压快充LCO的表面氟化重构稳定机制，发现所得的电极具有约1nm致密超薄LiF覆盖层和10至20nm近表面梯度氟化晶格结构，为表面晶格氧提供了优异的稳定性：F-LCO在3C下1000次循环后实现了92%的容量保持率，超过商业LCO（31%）和已报道的4.6V LCO。此外，团队结合原位电化学阻抗和DFT计算，从理论上揭示了Co-F键中的反键轨道电子转移键合增强机制在脱锂接近4.6V时可以抑制钴的迁移，同时，具有增强电荷转移能力的重构高能势垒富氟界面最终阻止高价氧物种（On-，0<n<2）沿着空位迁移，并演变成氧而导致的界面副反应。此外，团队研制的软包型石墨||F-LCO全电池具有优异的高电压（4.5V）循环能力，在5C快充下，超过1100次循环时容量几乎无衰减。上述正极界面氟化重构的策略为高压快充LCO的规模化应用提供了新的见解和理论指导。
该成果以“Ultrathin dense LiF coverage coupled with a near-surface gradient fluorination lattice enables fast-charging long-life 4.6 V LiCoO2”为题，发表在《能源与环境科学》（Energy & Environmental Science）上。本文共同第一作者为508组博士研究生毕志宏与中国科学院山西煤炭化学研究所易宗琳博士。上述工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、延长石油-大连化物所探索性科研项目基金等项目的资助。（文/图 毕志宏）
文章链接：https://doi.org/10.1039/D3EE03464J
