【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】電池正極材料的能量密度主要取決于工作電壓和比容量。因此，發(fā)展高電壓正極材料是提升電池能量密度的重要途徑之一。尖晶石鎳錳酸鋰(LiNi0.5Mn1.5O4)具有高工作電壓、三維鋰離子擴散通道和低成本等優(yōu)勢，被認為是下一代快充電池正極材料的重要候選材料。然而，在高電壓工況條件下，鎳錳酸鋰不可避免的兩相反應會導致晶格應變與應力集中，會導致晶粒開裂、過渡金屬溶出及界面失穩(wěn)，最終導致循環(huán)壽命不足。這一問題在快充和高溫等極端服役條件下尤為突出，嚴重制約了實際應用。
 

　　近日，中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家研究中心科研團隊在高電壓尖晶石正極材料研究方面取得進展。研究團隊提出了多組分體相摻雜策略，調(diào)控了材料反應熱力學，延長了固溶反應區(qū)間，緩解高電壓相變引起的電化學-力學耦合失效，提升了鎳錳酸鋰正極材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和快充性能。該材料在10 C倍率下，循環(huán)4000圈后，容量保持率達81.8%，在軟包電池中表現(xiàn)出穩(wěn)定的循環(huán)性能，驗證了實際應用的潛力。成果以“Compositionally complex doping enables high-voltage spinel cathodes with ultrafast charging and chemo-electro-mechanical stability”為題發(fā)表于《美國化學會會刊》(Journal of the American Chemical Society)。金屬所博士生鄔慧澤、碩士生張琛昊為論文第一作者。李峰研究員、王春陽研究員為論文通訊作者。
 

　　研究表明，一般鎳錳酸鋰在高壓區(qū)(>4.75 V)發(fā)生兩相反應，導致晶格畸變，會引發(fā)顯著的電化學-力學耦合失效。多元素協(xié)同摻雜能夠有效拓寬固溶反應區(qū)間，推遲兩相反應的發(fā)生。原位X射線衍射結(jié)果表明，摻雜后材料在高電壓區(qū)仍保持連續(xù)固溶反應特征，晶格收縮幅度明顯降低。多尺度電鏡表征、界面譜學表征表明，該策略可抑制晶粒開裂、有害巖鹽相變及電極-電解液界面副反應。該研究的多元素協(xié)同摻雜實現(xiàn)了高電壓尖晶石正極材料相變路徑的精準調(diào)控，為高性能快充鋰離子電池正極材料的設計開發(fā)提供了重要參考。
 

　　該工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、遼寧省杰出青年基金、興遼英才計劃等項目的資助。
 

圖1. 多組分摻雜調(diào)控相變路徑思路與材料結(jié)構(gòu)表征
 

圖2. 多組分摻雜正極材料的電化學性能全面評估
 

圖3. 多組分摻雜正極材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性表征
 

　　引用：高電壓鋰電正極材料研究取得進展 中國科學院金屬研究所 【引用時間：2026年05月08日】