文章导读
快充电池总在安全与能量密度间“二选一”？上海交大杨立团队在《Nature Communications》重磅揭秘：通过晶体结构诱导的TiO₆八面体赝姜-泰勒效应，精准调控钛基负极嵌锂电位至0.5V“黄金区间”，一举破解锂枝晶风险与低电压困局！全电池电压跃升至3.45V，快充性能与循环寿命同步优化。这项配位场工程新策略，不仅让高镍正极匹配效率飙升，更提供电极设计的普适性理论钥匙——阅读全文，解锁下一代安全快充电池的底层逻辑，你的充电焦虑或将终结。
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近日，化学化工学院杨立教授团队在Nature Communications期刊上发表了题为“Enhanced specific energy in fast-charging lithium-ion batteries negative electrodes via Ti-O covalency-mediated low potential”的研究论文。该研究成果报道了一种调控锂离子钛基快充负极材料嵌锂电位的方法，提出通过晶体结构诱导的TiO6八面体赝姜-泰勒效应（Pseudo Jahn-Teller Effect, PJTE）畸变来增强Ti-O键的共价性，从而降低嵌锂电位的策略。
随着全球能源转型的深入推进，开发兼具高能量密度、超快充电能力与本质安全性的锂离子电池已成为迫切需求。负极材料是决定电池性能的关键，然而商用石墨负极的低工作电位（~0.1 V vs. Li+/Li）易引发锂枝晶生长，带来严重安全隐患；而高安全性的钛基嵌入型快充负极（如钛酸锂Li4Ti5O12和钛铌氧TiNb2O7）又受限于其高嵌锂电位（Li4Ti5O12: 1.55 V，TiNb2O7: 1.65 V），导致全电池电压较低（通常仅约2.3 V），能量密度不足。因此，如何将负极材料的电位精准调控至既安全（>0.1 V vs. Li⁺/Li以避免析锂）又能实现高能量密度（<1.0 V以提升输出电压）的“理想窗口”（0.2-1.0 V），是本领域的核心技术挑战。
杨立教授团队提出通过“配位场工程”增强Ti-O键共价性来系统降低钛基负极嵌锂电位，利用特定晶体结构诱导TiO6八面体产生赝姜-泰勒效应（Pseudo Jahn-Teller Effect, PJTE）畸变，打破Ti-3d与O-2p轨道的正交性，增大其轨道重叠积分，从而增强Ti-O键共价成分。这会导致Ti4+/Ti3+氧化还原电对的反键轨道能级上移，使其更接近锂的费米能级，最终实现嵌锂电位的有效降低。
图1 低电位快充负极材料设计思想和电位调控原理
图2 低电位快充负极材料的电化学性能
采用具有本征PJTE晶格畸变的层状Ruddlesden-Popper (R-P)钛酸镧锂材料作为模型材料，实现其平均嵌锂电位在~0.5 V的理想区间，与高镍NCM811正极匹配的全电池工作电压达3.45V。所制备的负极材料同时展现出优异的快充性能（高倍率容量）和长循环稳定性，实现了安全、快充与高能量密度的协同优化。通过结构解析（XRD/TEM）、电化学性能表征、电池测试到第一性原理计算和原位/非原位光谱学表征（XAS, XPS）的研究，清晰揭示了PJTE畸变-键合特性-嵌锂电位之间的构效关系，为设计新型电极材料提供了普适性的理论基础。
上海交通大学化学化工学院和物质科学原位中心为第一完成单位。博士生黄俊为论文第一作者，杨立教授，张熠霄助理研究员，重庆大学杨小龙副教授和浙江大学陆俊教授为论文共同通讯作者。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-61461-2
作者： 化学化工学院 供稿单位： 化学化工学院
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