钴酸锂（LiCoO2）是最早贸易化的锂离子电池正极资料。由于其拥有很高的资料密度和电极压实密度，使用钴酸锂正极的锂离子电池拥有最高的体积能量密度，因而钴酸锂是消费电子市场利用最宽泛的正极资料。随着消费电子产品，出格是5G手机等对锂离子电池续航功夫和体积大幼的要求不休提高，火急必要进一步提升电池体积能量密度。提高钴酸锂电池的充电电压能够提高电池的体积能量密度，其充电截止电压已经从1991年最早贸易化时的4.20V逐步提升至4.45V（vs Li+/Li），体积能量密度已经超过700Wh/L。目前，开发下一代更高电压迪胲酸锂资料已经成为科研界及企业共同关注的热点。随着充电电压的提高，钴酸锂资料会逐步出现不成逆结构相变、表界面不变性降落、安全机能降落等问题，限度了其现实利用。通常钻研人员通过选取多种元素痕量掺杂的伎俩对钴酸锂资料进行改性，以提升其在高电压充放电过程中的不变性。理解分歧掺杂元素的作用机造对于设计机能更佳迪胲酸锂资料至关沉要，然而尝试上确定各痕量掺杂元素的作用机造存在挑战。

中国科学院物理钻研所/北京凝聚态物理国度钻研中心清洁能源尝试室E01组博士张杰挠注李庆浩，在钻研员李泓和禹习谦的领导下，选取Ti、Mg、Al三种元素痕量掺杂（掺杂比例 <0.1 wt%），使得钴酸锂资料在4.6 V高电压充放电过程中的循环不变性和倍率个性得到了极大的提升（图1）。该团队进一步与美国布鲁克海文国度尝试室、斯坦福国度加快器尝试室、美国劳伦斯伯克利国度尝试室、江西师范大学和湖南大学等有关钻研机构合作，利用同步辐射X射线纳米三维成像、共振非弹性X射线散射等先进尝试技术系统地钻研了Ti、Mg、Al痕量掺杂对钴酸锂资料机能提升的作用机造，揭示了分歧掺杂元素对资料机能改善的怪异作用。该钻研了局近日颁发在《天然-能源》上（Nature Energy，2019，DOI: 10.1038/s41560-019-0409-z），文章题为Trace doping of multiple elements enables stable battery cycling of LiCoO2 at 4.6 V。

钻研团队首先利用高分辨透射电镜结合EDS\EELS表征，索求了分歧掺杂元素在资料颗粒表表及体相内的散布法规，了局批注，在一样的资料合成前提下，Mg和Al元素更容易掺杂进入资料的晶体结构中，而Ti元素则偏差于在钴酸锂颗粒表表富集。尝试室原位X射线衍射了局显示，掺杂进入钴酸锂晶格的Mg、Al能够抑造4.5 V高电压充放电时出现的结构相变，该结构相变被普遍以为是导致钴酸锂资料在高电压充放电下机能衰减的重要原因之一。随后，通过同步辐射X射线三维成像技术发现Ti在钴酸锂颗粒中出现不均匀散布，Ti元素不仅富集于钴酸锂颗粒表表，还会在颗粒内部的晶界处富集，可能为钴酸锂颗粒内部一次颗粒之间提供优良的界面接触，从而提升资料的倍率机能（图2）。进一步利用共振非弹性X射线散射（RIXS）技术发现富集在表表的Ti元素能够有效地抑造高电压下资料表表氧离子的氧化活性，从而减缓高电压下资料与有机电解液的副反映，不变资料的表表（图3）。最后，通过第一性道理推算，钻研团队从理论上进一步确认了Ti元素的掺杂法规及改性道理，以为Ti元素偏差于在资料表表掺杂，可能对其周边的氧原子在脱锂态下的电荷散布进行调节，有效降低其氧化活性。

该工作揭示了Ti、Mg、Al共掺杂对钴酸锂资料机能提升的作用机造，阐了然从晶体结构、电子结构和资料亚微米尺度微观结构等分歧维度资料综合设计对于提升资料机能的沉要性，为设计高电压、高容量正极资料提供了理论凭据。同时也展示了多尺度、高精度的分析表征步骤对于揭示资料内涵物理化学过程的沉要性。该工作得到的结论对于其他电池系统电极资料设计同样拥有借鉴意思。有关工作得到科技部沉点研发打算（2016YFB0100100）、基金委创新群体基金（51421002）和基金委优良青年基金（51822211）的支持。