锂電池作為新一代綠色儲能器件已經徹底改變了我們的生活，使我們方便地用上了手機等移動電子設備和電動車等綠色交通工具。目前正在使用的锂電池正極材料可分為3類：手機等便攜式電子設備使用的钴酸锂、電動車電池使用的層狀高容量但安全性不高的鎳钴錳三元氧化物和安全性高但容量不高的磷酸鐵锂、電動自行車和充電寶等使用的低容量低成本低循環穩定性的尖晶石錳酸锂。進一步提升钴酸锂的性能對手機等锂電池應用是重大的産業需求。

　　钴酸锂（LiCoO₂，LCO）是一種層狀過渡金屬氧化物，是Goodenough教授最早用來作為锂電池的正極材料（Goodenough教授因此獲得了2019年的諾貝爾化學獎）。其性能的提升主要受限于正極钴酸锂在高電壓（> 4.5 V vs Li/Li⁺）下的結構不穩定性，表現為高電壓下大量锂脫出所導緻的結構不可逆相變、内部應力增大、顆粒破損及副反應增多等。因而在實際應用中，這些锂電池通常工作在較低的電壓（如4.2-4.3 V vs Li/Li⁺），而此時钴酸锂僅提供了約一半的理論容量（274*0.5 ≈ 140 mAh/g），這大大限制了潛在的電池性能。

　　最近，有大量針對提升钴酸锂正極在高電壓下結構穩定性以獲得更高容量的研究工作發表，如顆粒體相或表面的多元素摻雜或包覆等，這在一定程度上改善了性能并有一些高電壓钴酸锂（H-LCO）得到了商業化應用。但是，這些研究無法從結構角度（這些材料的X-射線衍射沒有明顯的差别）給出钴酸锂穩定性提升的根本原因，因此钴酸锂在高電壓下的性能改進方向仍不明朗。此外，現有的各種表征技術如X-射線衍射、固體核磁、X-射線吸收譜等雖然可以提供钴酸锂在電化學中的結構演化，但它們反映的是整體平均結構信息，難以揭示與性能相關的微觀結構細節；透射電子顯微鏡（TEM）技術如球差矯正電鏡和高分辨透射電鏡（HRTEM）等雖然也常被用于研究锂電池材料的局域結構，但它們僅能反映某個微區而無法給出更大尺度如單顆粒的結構信息。

　　基于此，孫俊良課題組與beat365深圳研究生院新材料學院潘鋒教授課題組合作，基于自主改良的三維連續傾轉電子衍射技術（cRED，圖1），對高電壓钴酸锂的微觀結構進行了研究，并取得了突破性進展。團隊主要通過三維電子衍射表征在納微尺度原子空間排列的有效度、高分辨透射電鏡技術表征原子尺度排列有效性、原位的X-射線衍射表征充放電過程的結構演化、電化學氣相色譜在分子尺度表征副反應産物等聯動研究，對比探索了兩種商業化钴酸锂正極（即高電壓钴酸锂H-LCO和普通钴酸锂N-LCO）在不同充電截止電壓下的單顆粒晶體結構，成功揭示了钴酸锂在高電壓下性能衰減的内在機理，提出了在高電壓下影響钴酸锂結構穩定性的決定性因素是顆粒近表面區域的钴氧層結構的平整性，并通過理論計算進行了詳細論證。相關成果近日發表在國際知名學術雜志《自然·納米技術》（ Nature Nanotechnology , DOI: 10.1038/s41565-021-00855-x）上。