组分梯度与微结构工程协同构建高稳定五元富镍正极材料 (IMAGE)
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开发高性能的富镍正极材料是实现单体电池能量密度超过400 Wh kg−1的关键策略。在各种候选材料中，七系高镍正极材料（镍含量约70%）受到越来越多研究者的关注。这是由于其在高电压（≥4.5 V）下运行时，能在能量密度与可制造性之间取得良好平衡。然而，电压升高不可避免地导致过度脱锂，从而引起正极颗粒内部严重的应力集中与应变累积。这种机械不稳定性会加速微裂纹的形成与扩展传播，最终导致颗粒破碎与容量快速衰减。 鉴于此，由华东理工大学超细材料教育部重点实验室、上海市多级纳米材料工程研究中心李春忠教授带领的研究团队，近期报道了一种原位共沉淀策略，用于合成五元全浓度梯度正极材料LiNi0.73Co0.05Mn0.20Al0.01B0.01O2。相关成果已于2025年12月8日发表于Science Bulletin。 在该设计中，B元素占据过渡金属层的四面体位点，通过抑制高温嵌锂过程中热驱动的过渡金属元素互扩散，缓解了“去梯度效应”；同时，Al元素占据锂层的四面体位点，减少了组分梯度设计因元素分布不均而增加的Li/Ni混排。由此合成的五元全浓度梯度正极材料具有富锰贫镍表面以及径向排列的一次颗粒。这种独特的结构配置同时增强了表面的化学与机械稳定性，并能高效地消散内部拉/压应力。 在B与Al元素的协同帮助下，该五元梯度正极材料还表现出提升的晶格氧稳定性，能有效抑制充电至4.5 V过程中的O2与CO2释放，并减轻长循环后Ni−O配位构型的畸变。电化学测试表明，该材料具有210.5 mAh g−1的高比容量，且首圈库仑效率达90.1%。值得注意的是，在2.7–4.5 V电压区间工作的软包全电池在1700次超长循环后容量保持率仍达87.3%，展现出卓越的高压长循环稳定性。本研究为解决高电压富镍正极的机械与界面不稳定性问题提供了一条实用且可规模化的策略，为开发下一代高性价比、高能量密度锂离子电池提供了新的思路。
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