近日，我校材料学院夏晖教授与化院朱俊武教授等在水系锂离子电池研究方面取得新进展，该研究成果以“Stabilizing Layered Structure in Aqueous Electrolyte via Dynamic Water Intercalation/Deintercalation”为题，发表在《先进材料》（Advanced Materials）上。南京理工大学为第一完成单位和通讯单位，博士后薛亮、中科院物理所张庆华副研究员、香港城市大学博士生黄雅兰为第一作者，朱俊武和夏晖教授为通讯作者。文章链接：https://doi.org/10.1002/adma.202108541。
图1水系电解液中LiCoO2的衰减机理及动态水脱嵌机制。
近年来，水系锂离子电池因其不可燃、高离子电导率、低成本等特性引起了研究者的极大兴趣。然而，电化学性能的短板严重阻碍了其发展进程。因此，开发水系电解液中高性能电极材料具有非常重要的意义。
层状正极材料如LiCoO2、LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2等在有机系电解液中展现出高比容量以及出色的循环稳定性，但在水系电解液中容量则快速衰减。O3相LiCoO2作为典型的层状正极材料，在水系电解液中的电化学行为被广泛研究。研究者们提出了H+不可逆嵌入、过渡金属溶解、表界面重构等导致容量衰减的可能原因，但这些现象产生的起源及其对电化学行为的影响缺乏明确认知，因而层状材料在水系电解液中的衰减机理仍不明晰。虽然通过提高pH值或者增大电解液浓度能缓解层状材料的衰减速率，但如何本征性地调控层状结构以高效解决其水系电解液中容量衰减的问题依然存在巨大挑战。
该工作以O3相层状LiCoO2为典型例子，研究了其在水系电解液中的结构退化现象，揭示了H+加速层状至尖晶石相变导致电极退化和容量迅速衰减的深层机理。为提升其在水系电解液中的结构稳定性，本工作通过熔盐法制备了过锂Li1+tCo1−tO2−t，通过在CoO2板层中构建LiO5五面体，使得其充电过程中在(001)面上形成可通过水分子的开放通道，促使动态水脱嵌发生，从而极大提升层状结构在水系电解液中的循环稳定性。通过计算发现层间水与H之间的相互作用可缓解H对Co-O键的削弱，有效抑制了层状至尖晶石相变。该工作解释了水系锂离子电池中层状材料性能衰减原因，并提供了切实可行的材料改性途径，有助于推进水系锂离子电池的发展。该工作得到了国家自然科学基金项目、中央高校基本科研专项资金、中国博士后科学基金面上项目、中国博士后科学基金特别资助等项目的支持。
