近日，我院纪效波教授团队在化学类顶级期刊《美国化学会志》(Journal of the American Chemical Society)发表了题为“四面体锂填充无序岩盐正极用于高功率密度和能量密度电池(Tetrahedral Lithium Stuffing in Disordered Rocksalt Cathodes for High-Power-Density and Energy-Density Batteries)”的研究论文。中南大学化学化工学院为第一单位，纪效波教授为通讯作者，2020级博士生梅雨为第一作者。

锂基储能的快速发展凸显了开发高能量密度和高功率密度正极材料的重要性。尽管层状 Li (Ni, Mn, Co) O2 正极表现出良好的功率和能量密度，但进一步提升的潜力有限。随着锂离子电池行业的蓬勃发展，将需要数百万吨的钴或镍，这将对金属资源造成相当大的压力。富锂阳离子无序岩盐 (DRX) 因其高容量的优势而受到关注，它通过过渡金属的阳离子氧化还原过程和晶格氧的阴离子氧化还原过程提供电荷补偿。此外，DRX 提供了更广泛的组成成分空间，涵盖 4d-6d TM 元素，例如 Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Zr、Nb、Mo、Ru、Ta 和 W。值得注意的是，利用低成本且地球储量丰富的元素（如 Mn、Fe 和 Ti等）为开发资源可持续的正极提供了机会。上述因素使得 DRX 成为下一代正极发展的有潜力的候选者。然而，一个严重的缺点阻碍了 DRX 的实际应用：动力学缓慢，导致倍率性能不佳。

在本研究中，通过四面体锂填充注入新的四面体-八面体-四面体（t-o-t）扩散路径，DRX的动力学得到显著改善。该策略从具有成本效益且地球储量丰富的Mn和Ti元素的DRX材料出发，在热力学平衡条件下将部分锂从八面体位置迁移到四面体位置，形成独特的无序岩盐/无序尖晶石（DRSX）相结构。证明了尖晶石含量与阳离子空位浓度之间的线性相关性，并实现了两相比例连续线性可调。受益于t-o-t扩散路径，锂迁移势垒的降低和连通良好的锂渗透网络改善了锂扩散动力学。实现了292 mAh g^-1（866 Wh kg^-1）的高容量，明显优于未改性DRX的157 mAh g^-1（483 Wh kg^-1）。 通过电荷补偿机制分析，高容量归因于低压下额外的阴离子氧化还原反应和Mn的多电子转移反应。 值得注意的是，晶格氧的不可逆释放和阳离子迁移得到有效抑制，从而防止结构致密化，并确保了锂迁移网络的稳定性。最后验证该策略的可扩展性，开发了富Mn的DRSX材料，表现出高容量（311 mAh g^-1、923 Wh kg^-1）和高倍率容量（251 mAh g^-1、697 Wh kg^-1 在1000 mA g^-1电流密度下）。

该研究获得了国家自然科学基金项目和中南大学研究生创新项目等基金的支持。

四面体锂填充无序岩盐正极示意图

（一审:李虎 二审：尹亮亮 三审：纪效波）