高电压且稳定的无钴 LiNiO2 正极用于基于硫化物的全固态电池

为何更安全、更耐用的电池很重要

锂离子电池为我们的手机、笔记本电脑，且越来越多地为电动汽车提供动力，但当今的设计仍依赖易燃液体和稀缺金属如钴。本研究探索了一种构建高能量、无钴固态电池的新途径，兼具更高安全性和更长寿命。通过在原子层面重新设计正极材料，作者展示了如何在高电压下保持富镍电池的稳定性，而这些电压通常会导致电池开裂、过热并快速衰减。

富镍电池面临的挑战

富镍的氧化镍锂（LiNiO₂）具有很好的储能能力并避免了钴的成本和毒性，因此很有吸引力。然而，当被推动到高充电水平时，其晶体结构会变得不稳定。在每个微小颗粒内部，原子层会发生移动和坍塌，产生内部应力和微裂纹。与此同时，材料会与周围电解质发生反应。在液态电池中，这会增加气体释放和热失控的风险；在使用硫化物电解质的固态电池中，会生成阻性副产物，阻碍锂的传输。结构性破坏与界面反应共同迅速剥夺电池的容量。

为什么需要固态与新型结构

全固态锂电池用固体电解质取代易燃液体电解质，有望实现更安全、更紧凑的电池包。基于硫化物的固体电解质具备良好的锂离子导电性且较软，便于与电极形成良好接触。但不幸的是，它们在为获得高能量所需的高电压下会与 LiNiO₂ 强烈反应。用保护性涂层包覆颗粒有所帮助，但并不能完全阻止颗粒内部的开裂或长期退化。作者认为，要真正延长电池寿命，必须同时稳定颗粒的内部和其与固体电解质接触的外表面。

一种智能的双重掺杂策略

研究团队提出了“从表面到体相的异相重构”策略，采用两种不同的掺杂元素，这些元素自然沉积在颗粒的不同区域。他们设计了名为 LiNi₀.₉₆₄Al₀.₀₃W₀.₀₀₆O₂ 的材料。价态较低的铝能向颗粒体相扩散，通过形成强键增强层状框架，减少镍与锂互换位置并破坏离子通道的倾向；价态较高的钨迁移更慢并聚集在表面，在那里促进形成薄的类尖晶石表层，该层机械强度高且与硫化物固体电解质更相容。两者共同形成了稳定的“层状核心–尖晶石壳”支架，能够抵抗开裂和化学侵蚀。

观察原子级变化与电池性能提升

借助先进的 X 射线与电子显微技术，研究人员直接观测到该结构：铝在内部均匀分布，而钨在表面富集，使每个颗粒拥有数纳米厚的尖晶石薄壳。计算表明，铝倾向于占据镍位点并提高有害阳离子无序化的能垒，而钨则促使表面温和重构为尖晶石相。固态电池的电化学测试显示，这种工程化材料可充电至 4.5 伏且仍保持高容量：初始约 188 毫安时每克，并在 720 次循环后仍保有约 65%。与未掺杂的 LiNiO₂ 相比，它具有更少的微裂纹、电阻增幅更小，并且界面上硫基阻性副产物的形成大大减少。

更好的固态电池的通用配方

为证明这不是一次性的技巧，作者将该方法推广到其他低价与高价掺杂元素组合，如铝与钼、硼与钨或铌。在每种情况下，都出现了相同的模式：低价元素稳定内部，而高价元素形成保护性表面，所制得的固态电池表现出更高的容量和更长的寿命。通俗地说，本研究为未来无钴高能固态电池提供了一套设计配方：选择一种元素来强化每个颗粒内部的“骨架”，另一种元素来构筑与固体电解质接触时的坚韧、相容的“表皮”。这一双重功能的设计有望推动更安全、高性能的电动汽车与能量存储系统更接近日常应用现实。

引用: Wang, Y., Ni, D., Li, H. et al. High-voltage and stable co-free LiNiO₂ positive electrode for sulfide-based all-solid-state batteries. Nat Commun 17, 3661 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70405-3

关键词: 固态电池, 锂离子正极, 富镍材料, 电池界面稳定性, 无钴能源存储