高能量鋰離子電池的電壓衰退問題，一直以來困擾著業界，這種衰退在電池容量尚未完全耗盡之前便開始影響性能。最近，中國南開大學的研究人員表示，他們找到了一種方法，可以從原子層面阻止這種衰退。他們開發了一種新策略，旨在穩定富鋰層狀氧化物（LRLO）陰極，這類材料被廣泛視為下一代電動車和電網儲能電池的關鍵。
這項新方法的關鍵在於將微量的鎢原子放置在晶體結構中的意外位置。傳統的鋰離子陰極依賴陽離子氧化還原化學，面臨能量密度的固有限制。而LRLO則通過激活氧或陰離子的氧化還原反應來承諾更高的容量。然而，這種優勢伴隨著結構不穩定、過渡金屬遷移、氧的損失，以及在高電壓充電時的嚴重電壓衰退。儘管經過多年的研究，大多數修正措施，包括表面塗層、成分調整或在傳統晶格中摻雜，僅僅延遲了幾十個循環的衰退。
這項新研究從更深層次解決了這個問題。研究團隊專注於一個鮮有探討的理念：將摻雜劑插入四面體間隙，而不是通常的八面體位置。他們以富鋰 Li₁.₂Mn₀.₆Ni₀.₂O₂ 作為模型系統，添加了低於 1 原子百分比的鎢（W⁶⁺）摻雜劑。先進的表徵技術顯示，鎢原子確實占據了四面體位置，這一位置長期以來被認為難以穩定。
鎢原子的異常位置顯然是關鍵。每個 W⁶⁺ 原子施加的長距離庫倫排斥力能抑制面內和面外的過渡金屬遷移。與僅穩定其周圍環境不同，單個摻雜劑能影響約 2 奈米寬的區域，遠大於典型的原子級效應。周圍的鋰氧多面體吸收了由此產生的應變，有效防止了 LRLO 在高電壓循環過程中常見的結構崩潰。
結構測量顯示，摻雜和未摻雜材料之間的對比十分明顯。在未摻雜的陰極中，特徵性的蜂窩結構在僅 20 次充放電循環後便消失。而在鎢摻雜樣品中，即使經過 250 次循環，這種結構仍然保持完整。實時 X 射線衍射顯示，在充電過程中，晶格應變明顯減少，確認過渡金屬遷移確實被有效阻止。
電化學測試確定了最佳的鎢濃度為 0.75 原子百分比。在這個濃度下，陰極保持了高容量，同時在 200 次循環後，電壓損失僅為 0.150 伏特，這比現有的 LRLO 設計有了顯著改善。除了提升即時性能外，這些發現還挑戰了長期以來對摻雜劑如何影響電池材料的假設。研究人員認為，原子效率高的四面體位置摻雜可能成為穩定高能量陰極的通用設計原則，標誌著向商業化可行的富鋰陰極邁出了一步。
