随着锂离子电池被应用到越来越多的工业和商业领域，对锂离子电池的能量密度和功率密度也提出了更高的要求。钴酸锂作为商业化锂离子电池正极活性材料的先驱，发展并推广了层状氧化物在当代电池技术中的应用，对钴酸锂进行持续探索对于锂离子电池其他正极材料的研究也很重要。钴酸锂具有高电压和高理论容量等优点，在实现高能量密度和高功率密度方面具有很大潜力，目前钴酸锂在实现高能量密度方面取得瞩目的进展，但是在高倍率下的容量和稳定性仍然尚未解决，限制着其在快速充电和大电流输出场景中的应用。

增强钴酸锂颗粒中的离子扩散对于提高倍率性能至关重要，掺杂和包覆是增强离子扩散的有效手段，但通常需要高温、复杂和精确工艺，增加电池制造过程中的能耗和复杂性。减小活性材料颗粒尺寸可以减小离子在固体中的扩散距离，是改善离子传输的一种简单、有效的手段，但同时也会增强电池内部副反应，特别是在高倍率下。副反应产物在正负极表面沉积形成固体电解质膜，一方面会限制电池的容量、倍率性能、循环稳定性和使用寿命，另一方面也对活性材料起到保护作用。因此，将副反应调节到适当的水平有望提高电池容量和稳定性，而碳纳米材料可能在电化学调节中发挥主导作用。

通过改变球磨转速和球磨时间制备了一系列具有不同粒径分布的钴酸锂颗粒，并系统地研究了其对电池性能的影响，发现减小粒径可以有效提升离子扩散系数和电池的倍率性能，但同时造成正极表面电解质分解加剧和循环稳定性降低。通过在正极表面包覆超薄碳纳米管膜（UCNF），在正极和电解液的界面处形成I型异质结，阻碍正极和电解质之间的电子注入/提取，从而防止电解质过度分解，增强了电池的倍率性能、循环稳定性和安全性能。在3.0-4.6 V电压范围内，10 C和20 C的放电比容量分别达到167 mA h/g (1.09 mA h/cm²）和152 mA h/g(0.99 mA h/cm²)，在0.1 C和1 C分别循环100圈后容量保持率都在90%以上，在10 C的比容量达到了目前报道的最高水平之一，并且首次证实了碳纳米管薄膜对锂离子电池中副反应的调控能力。我们提出了一种将优化粒径和包覆碳纳米管薄膜相结合的协同策略来提升电池整体性能，这一简单、有效的室温策略同样适用于其他关注电极表面改性的电池体系。

图一展示了球磨前后钴酸锂颗粒的粒径分布、形貌和晶体结构。(a)不同球磨条件下得到的钴酸锂颗粒的粒径分布。(b)不同粒径分布钴酸锂的形貌表征，图中标尺为10μm。(c)不同粒径分布钴酸锂的拉曼光谱。(d)不同粒径分布钴酸锂的X射线衍射谱。

图二展示了碳纳米管薄膜复合正极的制备和表征。(a)碳纳米管薄膜复合正极的制备方法（跟随橙色箭头指示）。(b)碳纳米管薄膜及复合正极的电导率表征。(c)碳纳米管薄膜的微观形貌。(d)未包覆碳纳米管薄膜的正极表面形貌。碳纳米管薄膜复合正极的(e)表面形貌和(f)截面形貌。

图三展示了碳纳米管薄膜复合正极的电池性能。(a)电池在3.0-4.6 V从0.1 C到20 C的倍率性能。(b)电池在1 C下的循环性能。(c)球磨和碳纳米管薄膜包覆对电池电化学阻抗谱中等效电阻的影响。(d)与文献中报道的电池性能在0.1 C和10 C下的对比。球磨和碳纳米管薄膜包覆对电池在不同倍率下的产气情况对比(e)O₂，(f)CO₂，(g)C₂H₄。

图四通过X射线光电子能谱展示了球磨和碳纳米管薄膜包覆对正极表面的影响。(a)-(c)分别是原始颗粒、球磨后、碳纳米管薄膜包覆后的正极表面的Li 1s谱。(d)-(f)分别是原始颗粒、球磨后、碳纳米管薄膜包覆后的正极表面的F 1s谱。(g)是不同正极在F 1s谱中的LiF和Li_xF_yPO_z相对于PVDF的比值。(h)是碳纳米管薄膜调控电极表面电解液分解的示意图。

图五展示了碳纳米管薄膜包覆正极表面后的能带示意图。

Xi W, Xia X, Zhu J, et al. Enhancing electrochemical capacity and interfacial stability of lithium-ion batteries through side reaction modulation with ultrathin carbon nanotube film and optimized lithium cobalt oxide particle size. Nano Research, 2024, 17(8): 7230-7241. https://doi.org/10.1007/s12274-024-6752-9.