01 研究背景

高镍正极材料因其高容量和低成本效益受到广泛认可，是高能量密度锂离子电池正极材料的热门选择。但高电压下快充和长循环会引发高镍正极严重的结构不稳定性以及应力应变积累的问题，阻碍其进一步的商业化应用。

02 研究工作简介

近日，来自北京理工大学吴锋院士团队的苏岳锋教授、陈来研究员、董锦洋博士后，在国际知名期刊Energy Storage Materials上发表题为“Enhancing Chemomechanical Stability and High-Rate Performance of Nickel-Rich Cathodes for Lithium-Ion Batteries through Three-in-One Modification”的研究论文。该研究提出了金属阳离子诱导的三合一改性策略来提升材料的化学和结构稳定性和倍率性能。W掺杂增强了材料表层与氧的结合，抑制了深度脱锂过程中从层状到岩盐相转变引发的氧损失，从而增强了结构稳定性。在正极表面构建具有适宜厚度的阳离子混合层可以提高Li+扩散速率，减轻颗粒结构退化。此外，Li2WO4纳米包覆层可减少活性材料与电解液的副反应。重要的是，对不同电流倍率下循环前后的结构变化进行深入的研究，以更好地理解倍率失效机制。这些发现为高效利用高镍正极材料提供了宝贵的机理见解，加速了其大规模产业化应用。

图1.六价金属阳离子诱导三合一改性机理及倍率失效机制示意图

03 核心内容表述

（1）三合一机制构建纳米表面层

电极材料的固有颗粒特性决定了电池的电化学性能，为了表征粉末材料的物理化学特征，因此作者采用元能科技粉末电阻率&压实密度仪（PRCD3100，IEST）测量粉末电阻率和电导率。经过改性后由于在材料表面形成Li2WO4包覆层而消耗了大量的残碱，相比于原始材料，降低了样品的粉末电阻率，从而增强了材料的电导率；为了进一步表征单个粒子的力学性能，作者采用元能科技单颗粒力学性能测试系统（SPFT2000，IEST）的高精度压力传感器和位移控制来测量单颗粒子的力学性能，从测试可以看出三合一修饰层增强了材料的抗压强度并减少了材料破碎时的位移变化，这表明经过修饰材料可以承受更大的内部应力而提升颗粒结构的稳定性，从而可进一步提升材料或电极的压实密度，提升电池容量密度；经过PITT测试，重构的阳离子混合层及Li2WO4包覆层显著的提升了材料的Li+传输效率，从而使得在大电流密度下材料的循环性能得到提升。综上所述，测试单个正极材料颗粒的关键材料性能参数，有助于我们深入理解材料性能变化的机理。

图2.（a）W-0和W-0.5样品的粉末电阻率（b）电子电导率（c）单粒子力测试（d）W-0（e）W-0.5样品单粒子力学测试前后的光学照片（f）W-0和（g）W-0.5在0.1-0.7 mV s-1下的CV曲线（h）扫描速度和峰值电流之间的关系（i）W-0的PITT测试（j）W-0.5的PITT测试（k）相应的Li+扩散系数

（2）深入研究倍率失效机制

为研究DIEA工程对材料中晶格氧释放以及过渡金属迁移的调控，进行了原位XRD、原位拉曼以及原位DEMS测试。原位XRD测试中，材料在高截止电压下晶胞参数变化缓慢，晶体结构稳定应变减缓。原位拉曼测试用以分析样品中的过渡金属迁移情况以及结构退化，改性样品中500 cm-1和618 cm-1处的特征峰变化较小，而原始样品中在650 cm-1处出现新的特征峰，表明材料由于过渡金属迁移产生了新的尖晶石相。原位DEMS测试则表明具有高熵表层的材料在高压下的气体释放明显抑制，表明其更加稳定的晶格氧骨架。进一步采用DFT计算，为晶格氧释放以及过渡金属迁移提供理论支撑，结果表明具有高熵表面的材料在高脱锂态仍能展现较高的氧空位形成能以及Mn迁移能垒，这与测试结果相互印证，表明材料高压下仍能表现出更加稳定的晶体结构。

图3.（a）W-0 在1 C（b）W-0.5在1 C下循环100周后的SEM横截面图像（c）W-0 在2 C（d）W-0.5在2 C下循环100周后的SEM横截面图像 (e）W-0在1 C（f）W-0.5在1 C (g）W-0在2 C（h）W-0.5在2 C下循环100周后的SEM横截面图像（i）W-0在 1 C (j) W-0.5 在 1 C (k) W-0 在2 C  (l) W-0.5 在 2 C下的GPA分析

（3）前瞻

本文开发了一种通用的六价金属阳离子诱导的三合一改性策略，通过增强高镍正极材料的化学稳定性和结构稳定性，来应对高镍材料在高倍率长循环间的应力累积。更重要的是，该策略不仅强化了材料表层的抗氧化性能，还深入揭示了高倍率下材料从表面到核心的渐进性结构变化。通过对不同充放电倍率下的失效机制进行系统研究，我们发现在高倍率循环中，高镍正极内部的应力传导与相变行为显著影响其整体性能。这一发现不仅为理解高倍率条件下的材料退化机理提供了全新视角，同时也为未来调控材料性能的设计策略提供了科学依据。

Enhancing Chemomechanical Stability and High-Rate Performance of Nickel-Rich Cathodes for Lithium-Ion Batteries through Three-in-One ModificationDOI：10.1016/j.ensm.2024.103893关注【元能科技】微信公众号，后台回复关键词 “文献” 下载原文。

04 通讯作者简介

苏岳锋，北京理工大学材料学院教授、博士生导师，北理工重庆创新中心新材料院士中心平台责任教授。2013年入选教育部“新世纪优秀人才支持计划”，资助领域为新材料领域。主要从事绿色二次电池及先进能源材料的研究，作为项目负责人主持国家自然科学基金面上项目2项，主持国家重点研发课题1项，国际合作项目1项，参研973项目、“新能源汽车”重大专项、国家自然科学基金项目等多项。以通讯作者身份在Advanced Materials，Nano Energy，Energy Storage Materials，Nano Letters，Journal of Materials Chemistry A 等刊物发表SCI论文90余篇，申请国家发明专利近60项，授权国家发明专利30余项。

陈来，北京理工大学材料学院研究员、博士生导师，入选第四届中国科协青年人才托举计划、北京市科技新星计划。目前主要从事锂离子二次电池及其它电化学储能材料与器件的研究，重点研究方向为锂离子电池用富锂正极材料、高镍正极材料及高比能锂离子二次电池等。作为负责人主持国家重点研发计划课题、国家自然科学基金面上及青年项目、宜宾市科技局揭榜挂帅项目等项目10余项；作为主研人员参与973计划、国家重点研发计划“新能源汽车”试点专项等项目。自2013年起在Advanced Materials，Advanced Energy Materials, Materials Today，Nano Energy等国际刊物发表SCI论文60余篇；受理国家发明及实用新型专利65项，已授权32项；出版专著3部。

董锦洋，北京理工大学材料学院博士后，合作导师为吴锋院士。主要研究方向为锂离子电池正极材料改性和储能电池加速老化失效分析。获选国家资助博士后研究人员计划、中国博士后科学基金面上项目、重庆市博士后研究项目特别资助等项目，作为主研人员参与国家重点研发计划课题、宜宾市科技局揭榜挂帅项目等项目。在Advanced Materials，Carbon Energy，Energy Storage Materials等国际刊物发表SCI论文20余篇；受理国家发明及实用新型专利20余项，已授权8项。

05 课题组介绍

课题组以吴锋院士为学术带头人，团队隶属于“环境科学与工程”北京市重点实验室和“动力电池及化学能源材料”北京高等学校工程研究中心两个主要从事绿色能源材料及材料电化学研究的省部级科研平台。团队多年来一直从事绿色储能材料的基础研究以及相关电化学应用体系的技术开发，在绿色二次电池体系的开发及相关材料的研究方面先后承担了国家“973”计划、“863”计划、国家重点研发计划等多项重大项目，在相关领域积累了丰富的科研经验。

06 课题组招聘

北京理工大学郑州研究院先进储能材料团队负责人为吴锋院士，团队基于新能源材料基因测算与设计，结合智能探测技术，研究与开发高能量密度锂离子电池、智能电池、固态二次电池等多种新体系电池；围绕新能源智能汽车、先进储能以及能源互联应用场景，开展智能电池系统的设计开发与应用研究，开展电池加速老化、健康状态评估和电池寿命预测研究。本平台的建设将为北京理工大学双一流学科（材料科学与工程学科）和战略新兴学科（储能技术专业学科）建设提供有力支撑，并培养新能源和储能领域的"高精尖缺"人才。

招聘方向：

1.锂离子电池正极材料研究

2.固态化及固态电解质开发

3.电池用传感器设计

4.电池材料及电极多尺度模拟仿真

5.储能电池加速老化测试方法构建及寿命预测

招聘要求：

1.拥护党的路线方针政策，遵纪守法，具有良好的思想政治素质和道德修养；

2.身心健康，具有良好的学术背景和一定的科研工作基础，具有较好的学术发展潜力；

3.年龄在35周岁以下（豫理博士后不超过30周岁），获得博士学位一般不超过3年；

4.符合国家、学校招收博士后研究人员的其他要求。

岗位不仅待遇丰厚，还有多种地方政府人才支持政策。欢迎感兴趣的伙伴将个人简历（包括个人基本信息、学习工作经历、科研成果、获奖情况等）代表性成果及学术证明材料发至邮箱 chenlai@bit.edu.cn，并抄送邮箱lishan@bitzz.cn，邮件主题以“博士后应聘+姓名+研究方向”命名。