锂掺杂高熵氧化物Lix (CrMnCoNiZn)3-x O4 的制备及其电化学性能提升机制研究

为解决锂离子电池（LIBs）负极材料容量低、离子扩散慢等问题，研究人员通过溶胶-凝胶法合成锂掺杂高熵氧化物Lix (CrMnCoNiZn)3-x O4 。研究发现，锂掺杂诱导高价态（Cr6+ /Co3+ ）和氧空位形成，显著提升电子转移效率与Li+ 扩散系数（2.78×10?15 cm2 ·s?1 ）。最优组分Li0.11 (CrMnCoNiZn)2.89 O4 在1000次循环后仍保持257 mAh·g?1 容量，为高熵氧化物（HEOs）在储能领域的应用提供新策略。

　　

锂离子电池（LIBs）作为现代电子设备和电动汽车的核心能源，其性能瓶颈日益凸显。传统石墨负极理论容量仅372 mAh·g^?1
，而合金型或转换型材料虽容量高，却因体积膨胀导致循环寿命骤降。高熵氧化物（HEOs）因其多元素协同效应和结构稳定性成为研究热点，但固有低离子电导率制约其发展。如何通过材料设计突破这一限制，成为学界亟待解决的难题。

为攻克这一挑战，美国能源部艾姆斯国家实验室的Yunhe Liang等研究人员在《Materials Today Communications》发表论文，通过溶胶-凝胶法合成锂掺杂系列材料Li_x
(CrMnCoNiZn)_3-x
O₄
，系统探究其电化学性能演变规律。研究采用X射线衍射（XRD）分析晶体结构，X射线光电子能谱（XPS）表征元素价态，结合循环伏安（CV）和恒电流充放电测试评估电化学行为。

Synthesis of Li_x
(CrMnCoNiZn)_3-x
O₄
nanomaterials
通过硝酸盐-甘氨酸燃烧法成功制备系列样品，严格控制锂掺杂量（x=0.01-0.11），确保单相尖晶石结构形成。

Result and discussion
XRD证实所有样品保持面心立方结构（JCPDS 23-1237），锂掺杂未引起相变。XPS揭示Li⁺
引入导致Co²⁺
→Co³⁺
和Cr³⁺
→Cr⁶⁺
转化，同时氧空位浓度随锂含量增加而升高。电化学测试显示Li_0.11
样品表现最优：100 mA·g^?1
下100次循环容量达365 mAh·g^?1
，2 A·g^?1
倍率下仍保持196 mAh·g^?1
。

Conclusion
该研究通过锂掺杂策略实现三重优化：高价态提升电子转移效率、氧空位加速Li⁺
扩散（系数达2.78×10^?15
cm²
·s^?1
）、尖晶石骨架维持结构稳定。这不仅深化了对HEOs储锂机制的理解，更为设计下一代高能量密度电池负极材料提供理论依据。

这项工作的创新性在于首次阐明锂掺杂浓度与氧空位/高价态的定量关系，突破传统HEOs离子电导率限制。未来通过调控其他低价阳离子（如Na⁺
、K⁺
）掺杂，有望进一步拓展高熵材料在储能领域的应用边界。