Поверхность в виде шпинели, вызванная быстрым джоулевым нагревом, в положительных электродах на основе богатого никелем слоистого оксида для стабилизации решеточного кислорода

Почему для лучших батарей нужны более прочные поверхности

Электромобили и смартфоны полагаются на литий-ионные батареи, которые способны хранить много энергии и служить много лет. Один из наиболее перспективных материалов — слоистый оксид с высоким содержанием никеля — обеспечивает большую энергоемкость, но склонен слишком быстро изнашиваться. В этом исследовании показан новый способ «укрепления» поверхности этих материалов, который позволяет значительно снизить потерю емкости со временем, используя сверхбыструю термообработку, перестраивающую лишь внешнюю оболочку частиц без вреда для их внутренней части.

Скрытая уязвимость в батареях высокой энергоемкости

Современные катоды с высоким содержанием никеля хранят много энергии, поэтому они привлекательны для электромобилей с большой дальностью хода. Но при зарядке до высоких напряжений атомы кислорода в их кристаллической решетке могут становиться неустойчивыми и покидать структуру. Эта потеря кислорода запускает цепочку повреждений: упорядоченная поверхность частиц превращается в более плотные, менее активные фазы, внутри частиц образуются микротрещины. Эти изменения препятствуют движению ионов лития и электронов, создают неравномерную зарядку внутри частиц и постепенно лишают батарею как емкости, так и безопасности.

От нанесения покрытий к формированию защитной кожи

Распространенное решение — нанести тонкое покрытие на поверхность частиц, используя дополнительные соединения, такие как оксиды металлов или стекловидные материалы. Хотя это помогает, такие добавочные покрытия часто не закрывают поверхность полностью, не соответствуют кристаллической структуре основания или замедляют движение лития. Вместо того чтобы добавлять что‑то сверху, авторы предлагают вычитающий подход: использовать короткие, точно контролируемые импульсы нагрева — «флеш‑джаулев нагрев» — чтобы аккуратно удалить часть атомов лития и кислорода лишь из самой внешней области частиц катода. Это управляемое удаление заставляет поверхность перепорядочиться в новую кристаллическую форму, известную как шпинель, формируя непрерывную самопорождающуюся оболочку, кристаллически совместимую с внутренним слоистым ядром.

Как инженерная оболочка защищает батарею

Тщательная настройка температуры и длительности теплового импульса позволяет контролировать, превратится ли поверхность в тонкую шпинельную оболочку или в чрезмерно толстый блокирующий слой, известный как роксалит. Промежуточный режим — примерно 350 °C в течение 30 секунд — дает оптимальную шпинельную «кожу» толщиной в несколько десятков нанометров. Микроскопические и рентгеновские исследования показывают, что эта оболочка плотно сцеплена с внутренней слоистой структурой, подобно шипо-пазовому соединению в столярном деле. Такая сцепленная оболочка обеспечивает надежную механическую поддержку, снижает деформации кристаллической решетки при зарядке и удерживает реакционноспособные формы кислорода у поверхности, не давая им легко атаковать электролит или вызывать глубокий структурный коллапс.

Дольше служит и быстрее заряжается на практике

Электрохимические испытания показывают, что частицы с этой шпинельной оболочкой демонстрируют как более высокую начальную эффективность, так и заметно улучшенную долговечность. Обработанный материал достигает начальной кулоновской эффективности примерно 95%, по сравнению с примерно 90% для необработанного варианта, что означает меньше потерь лития в первом цикле. В течение сотен циклов заряд/разряд при практических скоростях покрытые электроды сохраняют более 90% емкости, тогда как необработанные падают примерно до двух третей. Даже в пачечных элементах, похожих на используемые в реальных устройствах, сконструированные катоды сохраняют около 80% емкости после 2000 циклов, значительно превосходя стандартные материалы. Измерения выхода газов, поверхностных пленок и внутренних трещин указывают на одно и то же заключение: шпинельная оболочка резко уменьшает выпуск кислорода, коррозию и разрушение.

Общая стратегия для более прочных и долговечных катодов

Чтобы понять, почему это работает так хорошо, компьютерные моделирования показывают, что шпинельная оболочка улучшает как связывание кислорода в структуре, так и пути движения лития, одновременно смягчая объемные изменения при циклировании. Поверхностная шпинель также затрудняет утечку электронов в побочные реакции на границе с электролитом. Важно, что та же вычитающая нагрева стратегия применима к нескольким родственным композициям катодов с высоким содержанием никеля, что указывает на широко полезный метод, а не единичное решение. Проще говоря, исследование демонстрирует, как удаление всего нужных атомов с поверхности может побудить материал вырастить собственные защитные доспехи, открывая путь к более безопасным, долговечным и энергоемким батареям.

Цитирование: Yang, H., Sun, Z., Zhao, Y. et al. Flash joule heating-induced spinel-phase surface in Ni-rich layered oxide positive electrodes to stabilise lattice oxygen. Nat Commun 17, 4008 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70616-8

Ключевые слова: литий-ионные батареи, катоды, богатые никелем, поверхностная инженерия, покрытие шпинелью, срок службы батареи