近日，我院张力教授与材料学院张桥保教授及韩佳甲助理教授合作，在锂离子电池高镍层状氧化物正极材料表界面精准调控与结构稳定化设计方面取得重要突破，相关成果以“Flash Joule Heating-Induced Spinel-Phase Surface in Ni-Rich Layered Oxide Positive Electrodes to Stabilise Lattice Oxygen”为题发表于Nature Communications（DOI: 10.1038/s41467-026-70616-8）。
高镍层状氧化物，尤其是LiNixCoyMn1-x-yO2（NCM）因其高能量密度，被认为是下一代车用动力电池极具潜力的正极材料之一。然而，NCM材料在高电位下易诱发伴随H2-H3相变的晶格氧氧化及损失。氧化态晶格氧不仅会以单质氧形式逃逸；还会形成高活性氧中间体，进一步氧化电解液，诱发正极层状结构向尖晶石/岩盐相的不可逆转变。这种结构演变通常始于颗粒表面并逐步向内部扩展，导致较低的初始库仑效率。此外，在正极-电解液界面形成的电化学惰性岩盐相会严重阻碍锂离子和电子输运，诱发局部电荷分布不均。同时，氧损失会持续加剧NCM材料本征的各向异性晶格应变，导致颗粒内部皲裂及机械粉化。因此，抑制晶格氧损失对提升NCM电极的电化学可逆性和循环稳定性至关重要。
针对上述挑战，研究团队提出了一种基于闪速焦耳加热的精准可控“减法”策略，实现对高镍正极材料表面锂/氧原子的定量去除。通过精确调控瞬态热脉冲的温度与持续时间，可在材料表面选择性构筑尖晶石相或岩盐相包覆层。其中，纳米尺度的尖晶石相“皮肤”层与体相形成类似“榫卯结构”的紧密互锁界面，可在长期循环中实现各向同性的高速锂离子嵌入/脱嵌以及界面连续电子传输。该尖晶石相皮肤层能够有效约束活性氧中间体，消除局部电荷异质性，并显著抑制表面及体相内部层状结构向尖晶石/岩盐相的不可逆转变，从而提升反应可逆性，提高初始库仑效率，缓解应力演化与颗粒开裂。基于该尖晶石相皮肤层包覆的NCM811实现了高达95.3%的初始库仑效率，并在500次循环后仍保持93.6%的容量。同时，软包电池在2000次循环后的容量保持率52.0%提升至80.1%。重要的是，该策略同样适用更高镍含量的正极材料。这种兼具抗腐蚀与抗开裂特性的稳定皮肤层，为实现高镍正极材料的长寿命稳定运行提供了创新解决方案。
该研究工作由张力教授、张桥保教授和韩佳甲助理教授共同指导下完成，主要由我院2020级博士生杨慧平、2023级硕士赵永辉以及材料学院2022级博士生孙哲飞完成（共同第一作者）。该研究工作得到国家自然科学基金（92372101，U25A20237，92472104，92472203）、国家重点研发计划（2024YFE0209300，2021YFA1201502）、中央高校基本科研业务费专项资金（20720220010，20720230036）、福建省自然科学基金（2024J01038）等项目资助。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-026-70616-8
