一、论文基本信息

论文标题：Topotaxially grown composite cathodes for cobalt-free high-energy long-life Li-ion batteries

发表期刊/会议：Nature Communications (影响因子：16.6)

文章DOI：https://doi.org/10.1038/s41467-025-63258-9

研究团队：上海交通大学、苏州大学、布鲁克海文国家实验室、中国科学院苏州纳米所等联合团队，通讯作者为陈立桅、赵建庆、白建明教授。

核心信息：本研究通过动力学控制策略成功构建了一种层状-岩盐双相复合正极材料，在完全去除钴的情况下实现了4.8V高电压下的稳定循环性能，在2C倍率下循环1000次后容量保持率达88%，为开发低成本、高能量密度的无钴锂电池提供了创新解决方案。

二、研究背景与意义

随着电动汽车产业的快速发展，对高能量密度、长寿命锂离子电池的需求日益迫切。目前商业化应用的高镍三元正极材料（如NMC）严重依赖昂贵的钴元素来维持层状结构有序性和循环稳定性。完全去除钴元素会导致材料结构不稳定和容量快速衰减，这成为制约无钴电池发展的关键技术瓶颈。

三、创新研究方法与设计理念

研究团队创新性地提出了拓扑生长双相复合结构的设计理念。通过在Li-Ni-O体系中精确控制烧结动力学过程，成功构建了由主要层状相LiNiO₂和次要岩盐相LiₓNi₂₋ₓO₂组成的复合正极材料。两种相在相同的氧晶格中形成共格界面，通过弹性耦合效应有效抑制了电化学循环过程中的各向异性晶格畸变。

结构表征与机理解析

从图1a的同步辐射X射线衍射（SXRD）图谱可以看出，600°C烧结6小时的样品呈现出典型的双相结构，其中层状相占87wt%，岩盐相占13wt%。高角环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）图像（图1c）直接证实了两种相在单个初级粒子内的共生关系。

特别值得注意的是图1e展示的层状相与岩盐相之间的共格晶界，其晶格失配度仅为-0.0053，表明两种相之间存在强烈的弹性耦合。这种独特的界面结构为材料提供了优异的结构稳定性基础。

四、电化学性能突破

优化烧结工艺实现性能调控

研究团队通过系统研究烧结时间对相组成的影响（图2a,b），发现600°C烧结6小时的样品（600C-6h）展现出最佳的综合性能。该样品初始放电容量达到195.7mAh/g，在50次循环后仍保持优异的结构稳定性。

卓越的长循环性能

最令人印象深刻的是，600C-6h样品在2.7-4.8V宽电压窗口下，以2C倍率循环1000次后容量保持率高达88%，远优于单相LiNiO₂的55.5%（300次循环）。对应的能量密度在首次循环达到738.0Wh/kg，第1000次循环仍保持603.4Wh/kg（图2c）。

全电池验证实用性

2Ah软包电池测试进一步证实了该材料的实用价值。在2.7-4.6V电压范围内循环1000次后，容量保持率仍超过80%，展现了优异的产业化前景（图2f）。

五、稳定性机制深入解析

抑制晶格畸变的关键作用

通过operando SXRD分析（图3a-c），研究发现双相复合材料有效抑制了高镍材料在深度脱锂过程中特有的H2-H3相变引起的c轴晶格坍塌。单相LiNiO₂在4.3V附近出现明显的晶格收缩（约7%），而双相材料的晶格变化更为平缓（约4%），且没有出现明显的两相共存区域。

机械稳定性验证

透射X射线显微镜（TXM）三维重构结果（图3f-i）显示，经过200次循环后，单相材料次级粒子内部出现大量纳米裂纹，而双相材料保持了完整的结构完整性。这直接证明了岩盐相通过弹性耦合效应有效抑制了循环过程中的机械降解。

六、材料设计普适性

研究还建立了系统的动力学控制合成策略（图4）。通过调节烧结温度和时间，可以精确控制层状相与岩盐相的比例、晶粒尺寸和结构有序度。这种设计理念可推广到其他高镍层状氧化物体系，为新型电极材料开发提供了新思路。

七、研究价值与前景

这项研究的意义不仅在于开发出一种高性能无钴正极材料，更重要的是提出了通过动力学控制获得亚稳相复合材料的新范式。该策略突破了传统热力学平衡相图的限制，大大拓展了功能材料的设计空间。

在实际应用方面，该技术有望显著降低锂电池成本，提高能量密度，推动电动汽车和规模储能产业的发展。同时，研究中发展的原位表征方法和材料设计理念对其他能源材料的研究也具有重要借鉴意义。

八、作者团队介绍

本研究由苏州大学赵建庆教授、布鲁克海文国家实验室白建明教授、上海交通大学陈立桅教授共同领导完成。团队在能源材料设计、同步辐射表征和电池技术领域具有深厚积累，近年来在Nature系列期刊发表多篇重要成果，推动了锂电池材料的基础研究和产业化应用。

第一作者姚俊屹，弗吉尼亚理工大学博士，主要从事高能量密度锂离子电池正极材料的设计与机理研究。

文章来源：电池课堂

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