闪速焦耳加热在富镍层状氧化物正极表面诱导尖晶石相以稳定晶格氧

为何更好的电池需要更坚固的表面

电动汽车和智能手机依赖于既能存储大量能量又能长时间保持性能的锂离子电池。一种最有前途的电池材料——高镍层状氧化物，提供了高能量密度，但往往衰退过快。本研究展示了一种通过超快速热处理来“强化”这些材料表面的方法，只重塑颗粒的外层皮膜而不损伤内部，从而显著减少随时间丧失的容量。

高能电池中的隐性薄弱环节

现今的高镍正极储能充足，因此对长续航电动汽车很有吸引力。但当这些材料被充到高电压时，其晶格中的氧原子可能变得不稳定并逸出。氧的丢失会触发一连串损伤：颗粒表面的原始有序结构转变为更致密、活性更低的相，颗粒内部会产生微观裂纹。这些变化阻碍锂离子和电子的迁移，使单个颗粒内部充电不均，并逐步侵蚀电池的容量和安全性。

从添加涂层到雕刻保护皮

一种常见的修复方法是在颗粒表面添加薄涂层，使用金属氧化物或玻璃状材料等外加化合物。尽管有一定效果，这些附加涂层常常不能完全覆盖表面、与基底晶体结构不匹配，或减慢锂离子的移动。作者提出另一种“减法”思路：用短促、可精确控制的热脉冲——“闪速焦耳加热”——温和地从正极颗粒的最外层去除部分锂和氧原子。这种受控的去除促使表面自我重组为一种称为尖晶石的新晶相，形成连续的、自源性的壳层，并与内部的层状核在晶体上兼容。

工程化皮层如何保护电池

通过精确调节热脉冲的温度和持续时间，团队可以控制表面是转变为薄的尖晶石壳层，还是变成过厚、阻碍传输的岩盐相。一个中间条件——约350°C、持续30秒——能产生理想的尖晶石皮层，厚度仅数十纳米。显微镜与X射线研究显示，该壳层与内部的层状结构牢固互锁，类似木工中的榫卯连接。这个互锁的皮层提供了坚固的机械支撑，减少充放电过程中晶格的畸变，并将活性氧物种限制在表面附近，从而防止它们轻易攻击电解液或触发更深层的结构崩塌。

实践中的更长寿命与更快充电

电化学测试表明，具有该尖晶石皮层的颗粒既具有更高的初始效率，也表现出显著改进的耐久性。处理过的材料初始库仑效率约为95%，而未经处理的约为90%，意味着首个循环中更少锂被浪费。在实际速率下的数百次充放电循环中，涂层电极保持超过90%的容量，而未经处理的电极约降至三分之二。在类似实际设备用的软包电池中，工程化正极在2000次循环后仍保留约80%的容量，远超标准材料。气体释放、表面膜和内部裂纹的测量均指向同一结论：尖晶石皮层显著减少了氧逸出、腐蚀和断裂。

一种通用的策略以获得更结实、更耐用的正极

为了解其优效原因，计算模拟表明尖晶石壳层既增强了结构中氧的结合力，也改善了锂的迁移通道，同时缓和了循环过程中的体积变化。表面尖晶石还降低了电子泄漏到电解液界面发生副反应的可能性。重要的是，这种减法加热策略可应用于多种相关的高镍正极组分，表明这是一种广泛适用的方法而非一次性修补。简而言之，该研究展示了如何通过从表面去除恰当的原子，诱导材料自生出保护装甲，为更安全、更耐用的高能电池铺平道路。

引用: 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

关键词: 锂离子电池, 富镍正极, 表面工程, 尖晶石涂层, 电池寿命