原子无序策略稳定高容量电池材料

UNIST研究团队与浦项加速器实验室（PAL）及KAIST合作，提出了一种稳定高容量电池阴极的新方法：在锂富层状氧化物（LRLO）中有意引入原子级无序结构。研究表明，这一策略能够显著减缓材料结构退化和能量损失，为下一代高能量密度、长寿命电池奠定基础。

该成果已在线发表于《ACS Energy Letters》。

锂富层状氧化物的潜力与瓶颈

锂富层状氧化物因具备极高的容量，被视为未来储能系统中极具前景的阴极材料。其容量不仅来源于过渡金属离子的参与，还包括氧在电化学反应中的贡献。然而，在反复充放电过程中，这类材料容易出现结构不稳定，导致容量逐步衰减、电压持续下降，严重制约了其实际应用。

通过“有序设计无序”解决结构不稳定

为应对这一难题，UNIST能源与化学工程学院李贤旭教授、PAL郑永华博士和KAIST徐东华教授联合提出了一种“有序设计无序”的思路：在材料设计阶段主动引入原子级无序结构。

这种受控的原子无序可以抑制电池初始循环中常见的相变过程——层片滑移，而层片滑移往往会引发不可逆的结构损伤。通过避免这一过程，材料在长循环条件下能够更好地保持晶体结构和电化学性能。

计算与同步辐射验证

研究团队利用基于密度泛函理论（DFT）的先进计算模拟，并结合PAL的同步辐射实验分析，证实了无序结构在稳定过渡金属与氧之间键合方面的关键作用。结果显示，原子无序有助于增强结构的整体稳定性，从而减轻循环过程中的结构演变和性能衰退。

性能表现：电压差与能量损失大幅降低

实验测试表明，无序设计的LRLO阴极在首次充放电循环中的电压差仅为 0.31 伏，不足传统有序材料 0.62 伏的一半，对应的初始能量损失仅为 0.6%。相比之下，传统阴极材料的电压差约为其两倍，初始能量损失高达 25.8%。

更为突出的是，无序阴极在后续循环中几乎没有明显电压衰减：每个循环电压仅下降约 0.04 毫伏。在经历 160 次循环后，仍能保持约 98% 的初始能量容量，展现出极佳的循环稳定性。这些结果表明，原子级无序有望成为高性能阴极材料的一项通用设计原则。

从“缺陷”到“优势”的观念转变

“我们把过去被视为缺陷的原子无序，转化为提升电池稳定性的设计工具。”本研究第一作者、UNIST的崔明俊表示，“这一策略具有很强的通用性，可应用于多种锂富层状氧化物体系，而不局限于特定成分或结构。”

李贤旭教授补充道：“锂富层状氧化物拥有巨大的能量潜力，但长期以来商业化进展缓慢，关键障碍就在于结构稳定性问题。我们的研究为开发更耐用、更轻量、且能更高效储能的电池材料提供了一条可行路径，有望对未来储能技术产生深远影响。”