第一作者：尚文旭

通讯作者：谈鹏*，吴震*，

单位：中国科学技术大学，深空探测实验室，西安交通大学

钴电极由于其高理论容量（446mAh/g）、丰富的价态变化能力（Co²⁺ ↔ Co³⁺ ↔ Co⁴⁺）等优点得到了广泛的关注。然而，目前所报道的实际性能远低于理论水平。虽然研究人员在形貌修饰、氧缺陷构建以及阴阳离子掺杂方面做了大量工作以提高实际利用水平，但是由于Co⁴⁺难以转化，利用水平仍然难以提升。此外，当运用于锌钴电池中，还表现出严重的自放电现象，这使得锌钴电池表现地更像一个“超级电容器”，原有的储能机理也受到了挑战。

基于此，中国科学技术大学谈鹏课题组和西安交通大学吴震课题组在国际能源材料领域知名期刊Small上发表了题为“Transforming the Electrochemical Behaviors of Cobalt Oxide from “Supercapacitator” to “Battery” by Atomic-Level Structure Engineering for Inspiring the Advance of Co-Based Batteries”的文章。尚文旭博士生为第一作者。

该工作深入探究了碱性钴电极的底层反应机理，发现其储能机理偏向于“表面氧化还原型赝电容”。基于原子级别的结构调控策略，本工作有效地增强了电极对-OH的吸附能，将储能机理从“超级电容”转变为“电池”。当运用与锌钴电池时，能量密度提升至506Wh/kg，自放电得到了有效的抑制，且温度适应性也得到了提升，为钴基电极未来商业化进程奠定了研究基础。

首先，通过原位XRD详细研究了传统钴电极在一整个充放电过程中的转化路径，证明向CoOOH转变的传统路径存在问题。通过CV测试计算“b值”评估了赝电容特性，证明了其“表面控制”的赝电容机理。基于DFT计算，深入探究了产生该机理的原因，并通过大量元素筛选，提出通过Al掺杂进行原子级别调控的策略，为后续实验提供了指导性意见。

图1. 碱性电解质中钴电极的反应机理验证

图2. 原子级别调控后钴电极的材料表征

在全电池测试方面，当电流密度从0.5增加到10A/g时，容量保持率为60.2%，体现了较好的倍率性能。此外，该电池可以稳定运行2000次循环，容量保持85.1%，证明了较好的循环性能。

图3. 原子级别调控后钴电极在锌钴电池中的电化学性能及原位XRD表征图

图4. 原子级别调控后钴电极在锌钴电池中的全电池性能测试

图5. 原子级别调控后钴电极在锌钴电池中的自放电和低温适应性

Transforming the Electrochemical Behaviors of Cobalt Oxide from “Supercapacitator” to “Battery” by Atomic-Level Structure Engineering for Inspiring the Advance of Co-Based Batteries

谈鹏，中国科学技术大学热科学和能源工程系特任教授，长期从事新型电池体系中物质传输和能量转化特性研究，包括热质传递特性、高性能电池材料开发、新型电池结构设计与优化等，入选中国科学院、安徽省和国家人才计划青年项目。近年来，主持科技部重点研发计划项目课题、国家自然科学基金、安徽省自然科学基金和企业技术开发项目多项，发表学术论文130余篇，引用4800余次；授权中国发明专利10项。

尚文旭，中国科学技术大学热科学和能源工程系博士研究生，深空探测实验室科研人员。