基于能帶調(diào)控策略，研究者通過p型摻雜方法，設(shè)計(jì)出超高能量密度、無(wú)過渡金屬的碳基正極新家族。該工作從電化學(xué)儲(chǔ)能材料的內(nèi)稟構(gòu)效關(guān)系出發(fā)建立其性能的鏈條式計(jì)算和評(píng)估范式，為研發(fā)新型高比能電極材料開辟了一條全新的思路。

研發(fā)高比容量的正極材料，對(duì)于提高鋰離子電池能量密度，滿足電動(dòng)汽車、消費(fèi)電子、規(guī)模儲(chǔ)能等行業(yè)需求至關(guān)重要?，F(xiàn)有商業(yè)化正極材料多含有鎳、鈷、錳等過渡金屬元素，存在原料成本與環(huán)境保護(hù)壓力的同時(shí)，過渡金屬元素的可變價(jià)電子數(shù)也嚴(yán)重制約了其儲(chǔ)鋰容量，進(jìn)而制約了電池的容量和能量密度。利用氧參與變價(jià)的富鋰正極可以在一定程度上提高電極比容量，但也同時(shí)導(dǎo)致了電池可逆循環(huán)穩(wěn)定性與安全性問題。

鑒于上述挑戰(zhàn)，用較輕元素取代較重的過渡金屬元素是可行的鋰離子電池正極材料設(shè)計(jì)思路之一。碳基材料作為具有最豐富雜化類型的材料之一，已被廣泛研究用作鋰離子電池負(fù)極。然而目前基于不同結(jié)構(gòu)或電子雜化性質(zhì)(如2D sp2、3Dsp2、3Dsp2+sp3)調(diào)控的二維與三維碳材料的嵌鋰電位均小于0.5 V，還遠(yuǎn)不能滿足正極材料的電位要求。那么，能否通過電位提升策略，設(shè)計(jì)出不含過渡金屬的新型碳基鋰/鈉離子電池正極材料？

近日，江西師范大學(xué)歐陽(yáng)楚英教授和上海大學(xué)施思齊教授在國(guó)際上首次提出了一種基于能帶結(jié)構(gòu)調(diào)控電極材料電壓的策略：通過p型摻雜實(shí)現(xiàn)了碳基材料鋰/鈉離子脫嵌電位與脫嵌結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的顯著提升，并設(shè)計(jì)了一類新型無(wú)過渡金屬、超高能量密度的鋰/鈉離子電池正極材料。

研究者首先通過第一性原理計(jì)算，系統(tǒng)地對(duì)比分析了不同sp2/sp3雜化類型碳基材料的嵌鋰電位與體系費(fèi)米能級(jí)的關(guān)系。發(fā)現(xiàn)由于費(fèi)米能級(jí)限制(約為–4.31 eV)，石墨電極的嵌鋰電位較低(約為0.2 V)，而氟原子的強(qiáng)誘導(dǎo)效應(yīng)可有效調(diào)控碳基材料電位，譬如氟化后(CF)的石墨體系雜化類型從sp2轉(zhuǎn)變?yōu)閟p3，從而使其嵌鋰電位提升至2.29 V。然而，氟化石墨費(fèi)米面處電子填充飽和的特性導(dǎo)致其在嵌鋰過程中結(jié)構(gòu)發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)變，因此難以用作鋰離子電池正極。

受到以上發(fā)現(xiàn)的啟示，研究者創(chuàng)新性地在氟化石墨材料中用硼原子替換碳原子，從而在體系價(jià)帶頂處引入空穴(p型摻雜)，有效地降低了離子嵌入的軌道能級(jí)，進(jìn)而將BCF2/B2C2F2材料嵌鋰電位從2.29 V提升至3.49/3.63 V (示意圖1)。同時(shí)，該p型摻雜的B-C-F材料中費(fèi)米面處電子的不飽和性極大增強(qiáng)了體系在嵌鋰過程中電子結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，并且由于B-F之間具有較強(qiáng)的庫(kù)倫作用，最終使得材料嵌鋰態(tài)具有良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

示意圖1：Li(Na)BCF2/Li(Na)B2C2F2正極與石墨負(fù)極的離子嵌入電位比較。

因此，該p型摻雜策略“一箭雙雕”地實(shí)現(xiàn)了：1）降低碳基材料的費(fèi)米能級(jí)，進(jìn)而提升嵌鋰電位；2）提升材料嵌鋰態(tài)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，解決了CF電極在電化學(xué)過程中發(fā)生分解反應(yīng)使其只能用于一次電池的難題。

基于上述能帶調(diào)控策略所設(shè)計(jì)的LiBCF2與LiB2C2F2材料鋰離子脫嵌電位分別為3.49與3.63 V，可媲美基于過渡金屬元素的正極材料。此外，其理論容量分別達(dá)到395.4 與295.8 mAh g-1，對(duì)應(yīng)的能量密度可達(dá)1379.9 與1073.8 Wh kg-1(示意圖2)。同時(shí)，其作為鈉離子電池正極也顯現(xiàn)出優(yōu)異的性能。因此，Li(Na)BCF2和Li(Na)B2C2F2作為由B、C、F等輕元素構(gòu)筑且不含Ni、Co、Mn等過渡金屬元素的一類新型正極材料，成功實(shí)現(xiàn)了相比于現(xiàn)有各種商業(yè)化正極材料容量的突破。

示意圖2：電池開路電壓與電解質(zhì)電化學(xué)窗口；石墨、常見鋰離子電池正極和LiBCF2/LiB2C2F2材料的電壓、容量與能量密度比較。

通過建立材料嵌鋰/鈉電位與能帶結(jié)構(gòu)的直觀聯(lián)系圖像，該p型摻雜方法實(shí)現(xiàn)了碳基材料嵌鋰/鈉電位與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的大幅提升，并極具潛力推廣到其它基于電荷轉(zhuǎn)移的離子脫/嵌材料體系，為理性設(shè)計(jì)新型高能量密度正極開辟了一條全新的思路。另外，該工作建立了一套鏈條式地從晶體結(jié)構(gòu)搜索(CALYPSO軟件)、聲子譜、電子結(jié)構(gòu)、電壓平臺(tái)、離子遷移勢(shì)壘和相圖計(jì)算(材料熱力學(xué)穩(wěn)定性評(píng)估和合成途徑設(shè)計(jì))等多角度綜合評(píng)估電化學(xué)儲(chǔ)能材料性能的研究范式。

上述研究成果以“Efficient potential-tuning strategy through p-type doping for designing cathodes with ultrahigh energy-density”為題發(fā)表在《國(guó)家科學(xué)評(píng)論》(National Science Review)。著名鋰電池學(xué)者M(jìn)ichel Armand教授（鋰電池產(chǎn)業(yè)奠基人之一，提出了搖椅式電池、固態(tài)聚合物鋰電池、磷酸鐵鋰碳包覆等多個(gè)原創(chuàng)性概念）為該工作撰寫了評(píng)論文章并給予高度評(píng)價(jià)，認(rèn)為“該工作是碳基正極領(lǐng)域的重要突破與電池設(shè)計(jì)的新標(biāo)桿，有助于突破電池能量密度桎梏，同時(shí)規(guī)避過渡金屬材料的使用……以p型摻雜降低石墨材料費(fèi)米能級(jí)這一策略的成功，在更廣泛意義上對(duì)于指導(dǎo)新型高比能電極材料的理性設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)研究具有積極而重大的前瞻性意義?！?/p>

[英文評(píng)價(jià)原文：“……achieved a breakthrough in the design of carbonaceous materials as cathodes for rechargeable LIBs/SIBs. This is a new paradigm for battery design, which is helpful in addressing issues related to the battery energy-density limit as well as the transition-metal cost and shortages……In a broader sense, the success of the full shell p-doping strategy to shift-down the Fermi-level of graphite ……can help guide a rational design of these compounds in the future and inform prospective theoretical and experimental researches in this field.”]

江西師范大學(xué)研究生王志強(qiáng)和上海大學(xué)王達(dá)副研究員為該文共同第一作者，江西師范大學(xué)歐陽(yáng)楚英教授和上海大學(xué)施思齊教授為共同通訊作者，蘇州大學(xué)尹萬(wàn)健教授、吉林大學(xué)王彥超教授、中國(guó)科學(xué)院物理研究所陳立泉院士和悉尼大學(xué)Maxim Avdeev教授等共同參與了研究。北京計(jì)算科學(xué)中心魏蘇淮教授、美國(guó)加州大學(xué)歐文分校武汝前教授、美國(guó)陸軍實(shí)驗(yàn)室許康研究員、南方科技大學(xué)張文清教授、中國(guó)科學(xué)院物理研究所李泓研究員、中國(guó)工程物理研究院電子工程研究所崔艷華研究員和上海大學(xué)郭炳焜教授給予了指導(dǎo)和幫助。該項(xiàng)研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持。

責(zé)任編輯：xj

原文標(biāo)題：理性設(shè)計(jì)孕育碳基正極新家族：超高能量密度、無(wú)過渡金屬 | NSR

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