近日，我院乔羽教授课题组在层状氧化物正极材料的结构演化与堆垛层错定量研究方面取得重要进展。相关成果以“Gliding-Induced Stacking Faults in Layered Oxide Cathode”为题发表于国际顶尖学术期刊 Journal of the American Chemical Society（DOI: 10.1021/jacs.6c10104）。
层状过渡金属氧化物是锂离子电池和钠离子电池中一类重要的正极材料，其高比容量和适宜的工作电压使其成为高能量密度电池的理想选择。然而，在深度充放电过程中，碱金属离子的反复脱嵌会不可避免地触发层间滑移（gliding），引发复杂的相变和结构演化，导致容量衰减和性能退化。其中，堆垛层错（stacking faults）作为一种常见的二维平面缺陷，会严重阻碍锂/钠离子的层间扩散，是导致富锂层状氧化物正极扩散动力学迟缓的重要因素之一。尽管原位X射线衍射（XRD）已广泛应用于监测相变过程，但如何定量解析层错等无序结构的随机特性仍是一个长期未解的科学难题。
针对上述关键科学问题，乔羽教授课题组以P2-to-O2相变作为模型体系，通过结合FAULTS程序的全谱衍射模拟与多尺度实验表征，建立了层错与衍射图谱之间的定量关联。研究团队揭示了该相变过程并非简单的层间同步滑移，而是通过一种“层间异步路径”（interlayer-asynchronized route）进行。在这一路径中，各层板并非完全同步滑移，而是存在统计学上的异步性，并在相变中点处形成一个具有严格O/P层交替排列的有序OP6共生中间相。该结构此前在文献中常被误认为是OP4相——研究团队基于严格的晶体学命名规则指出，P2母相衍生出的交替O/P序列需要包含六层碱金属层和六层过渡金属层才能构成完整周期性，因此正确命名应为OP6而非OP4。
通过构建并验证包含堆垛缺陷的结构模型，研究团队进一步建立了层板滑移、局域配位演化与过渡金属迁移之间的定量关联。研究发现，O型层的比例与边缘共享（edge-share）构型的数量呈正比，而边缘共享构型正是过渡金属发生层间迁移的动力学有利路径。因此，P/O层比（P:O ratio）可以作为预测过渡金属迁移倾向和结构退化程度的关键描述符。
该描述符框架的普适性进一步拓展至层内超结构（intralayer superstructures）。研究表明，层间堆垛层错与层内阳离子超结构之间存在紧密耦合，层间垂直相干性的缺失会以可量化的方式调制超晶格衍射峰。这一发现揭示了此前难以精确量化的额外结构复杂性维度。
该工作建立了一套标准化的层错描述符框架，能够在复杂的结构演化中为相变行为的精确描述和定量比较提供统一的评价基准。通过将结构描述符与荷电状态和退化机制相关联，该框架为评估掺杂、空位工程或层错控制等改性策略是否成功抑制有害相变或增强结构稳定性提供了可靠的预测工具。该研究方法可推广至其他层状材料体系，为下一代长寿命正极材料的理性设计提供了统一的分析语言。
该项研究工作在我院杨茂林副研究员、乔羽教授的共同指导下完成，2025级博士生曾贵凡、曾林辉为共同第一作者。该论文得到了国家重点研发计划（2023YFB2406200）、国家自然科学基金（22288102、92472203）等项目的资助。
论文链接：https://doi.org/10.1021/jacs.6c10104
