吴锋院士领衔！北京理工大学李宁/苏岳锋Nature子刊 | 层内渗透-层间桥接构筑高性能层状负极！

现代技术的快速发展日益提高了对具有更高能量密度、更快充电能力和更长循环寿命的可充电电池的需求。然而，现有电池材料由于其固有的结构局限性而无法满足这些要求。因此，设计多功能电池材料结构至关重要，包括充足的Li⁺存储、快速的Li⁺扩散和增强的结构稳定性。

2026年2月10日，北京理工大学苏岳锋，李宁在国际知名期刊Nature Communications发表题为《Intraplanar percolation and interplanar bridge enables layered matrix for high-performance negative electrode》的研究论文，Siyuan Ma，Wengang Yan为论文共同第一作者，苏岳锋，李宁为论文共同通讯作者。

本研究展示了一种具有层间桥接和层内渗透特征的层状结构，该结构整合了目前商业化主流电池材料结构的优点。它实现了高效的离子传输和结构稳定性，在宽温度范围内提供高容量/倍率性能、长循环寿命和近零应变结构演化。这种结构设计原理的通用性通过其他材料进一步得到证实，这一发现和设计先进电池材料的通用原理应能加速下一代可充电电池的发展。

锂离子电池在驱动便携式电子设备、可再生能源存储和电动汽车方面取得了显著成功。然而，众多技术进步对锂离子电池产生了多样化需求，而现有电池无法满足这些需求。未来可充电电池的终极追求是高能量/功率密度、长循环寿命、全气候耐久性和高安全性。目前，具有巨大体积变化和较差循环寿命的转化型和合金型电池材料难以满足这些要求，而插层型材料在锂化/脱锂过程中保持相对稳定性且体积变化较小，显示出开发满足未来需求的多样化锂离子电池的巨大潜力。

通常，二维层状材料因其显著优势（包括大的可逆理论容量和二维传输路径）而获得了广泛的商业关注，例如石墨负极、层状LiNi_xMn_yCo₂O₂正极和LiCoO₂。然而，层状基质中的二维传输路径仍难以实现快速的Li⁺扩散，尤其是在低温输出方面，且其各向异性体积变化会导致应力积累和较差的循环性能。另一方面，具有三维Li⁺扩散通道的尖晶石结构显著提高了Li⁺扩散系数，从而增强了倍率性能。

然而，相邻层之间过多的层间桥接占据了过多的Li⁺插层位点，导致高能量应用的理论容量较低。在各种已报道的电极材料中，Li_1+yLi_1/3Ti_5/3]O₄（0≤y≤1）作为尖晶石结构的代表脱颖而出，其晶格膨胀小于0.2%，是长循环寿命负极材料的代表，但尖晶石结构也赋予该材料低理论容量（175mAh g^-1）和约1.55V（vs.Li⁺/Li）的较高工作电位，这两个因素都显著限制了其能量密度。

近年来，人们致力于开发用于锂离子电池的高容量和快充负极材料。为实现这一目标，研究人员专注于寻找保持高容量层状结构的同时，通过层内渗透构建层间隧道以实现快速离子传输的材料。近年来，剪切ReO₃结构（如Ti₂Nb₁₀O₂₉、Nb₁₄W₃O₄₄、Nb₁₆W₅O₅₅和Ni₂Nb₃₄O₈₇）和钨青铜结构（如Nb₁₈W₁₆O₉₃和T-Nb₂O₅）在快充负极材料领域引起了相当大的关注，这类结构不仅有利于快速的Li⁺扩散，还表现出增强的插层-赝电容行为。

尽管具有这些优势，但无论是剪切ReO₃结构还是钨青铜结构，在深充放电循环后都未能表现出足够的稳定性，Li⁺插入过程中的巨大晶胞体积膨胀和相变会导致晶格应变逐渐积累，最终导致长期循环过程中的性能衰减。因此，为开发用于高能量、快充和长循环锂离子电池的未来负极材料，设计具有多功能材料结构至关重要：大量的Li⁺存储位点、快速的Li⁺扩散能力和深循环及长循环下的稳定框架。

在本工作中，为开发高容量、快充和长循环电池材料，研究人员提出了一种利用具有层间桥接和层内渗透的层状结构的策略，通过结合上述材料结构的优点来实现这一目标。在这种结构中，活性过渡金属层包含众多促进层内渗透的隧道。此外，层间大量具有大半径的非活性离子不仅有效扩展了层间距而不消耗过多的Li⁺插层位点，还牢固抑制了活性过渡金属层的膨胀，甚至赋予材料零应变特性。

经过材料结构搜索和评估，选择了低成本的钒基化合物K₃V₅O₁₄（KVO）来验证该设计策略。在KVO中，边共享的VO₄四面体和VO₅五面体构成了具有多个开放隧道用于Li⁺渗透和双氧化还原电对（V⁵⁺/V³⁺）的活性过渡金属层，而KO₁₀多面体则作为铆钉固定这些活性过渡金属层，不仅扩展了层间距，还赋予了这种具有稳健机械稳定性的宽广三维网络。同时，KVO中钾（K）和钒（V）元素的低成本使其成为大规模应用的经济选择。

所制备的KVO化合物显示出377mAh g^-1的高容量、增强的倍率性能（10C下约146mAh g^-1）和循环性能，在19000次循环后仍保持88.3%的容量。原位XRD、原位/非原位TEM、XAS、ND、TOF-SIMS和DFT计算揭示，长期循环稳定性归因于KVO的零应变结构演化，而高倍率性能可由Li⁺的三维导电网络和KVO稳健的富LiF固体电解质界面（SEI）来解释。这种开发负极材料的策略也通过其他材料得到进一步验证，为未来锂离子电池的快充、长寿命负极材料发展提供了启示。

图1：层状结构设计策略与KVO材料表征。对比传统层状结构、尖晶石结构、层内隧道结构的优缺点，提出兼具高容量、高倍率、零应力的理想结构；KVO的XRD与ND精修确认P31m空间群，HRTEM显示(111)晶面间距0.328nm，晶体结构揭示VO₄四面体与VO₅五面体构成活性过渡金属层（含五边形隧道利于Li⁺渗透），K⁺形成KO₁₀多面体作为层间桥接铆钉活性层。

图2：KVO半电池与全电池电化学性能。0.1C下可逆容量377mAh g^-1（为Li₄Ti₅O₁₂的2.5倍），工作电位~1.45V；倍率性能优异（10C保持147mAh g^-1）；循环稳定性突出（1C循环500圈容量保持率90.2%，5C循环2000圈近100%，10C循环19000圈仍保持88.3%）；宽温域适用（60°C下10C循环8000圈保持100.2%，-10°C下2C循环2000圈保持97.9%）；KVO||LiFePO₄全电池能量密度为Li₄Ti₅O₁₂||LiFePO₄的3.5倍，2C循环1000圈保持96.1%。

图3：KVO体相与表面化学演化机制。硬线XAS证实V⁵⁺↔V³⁺两电子可逆转移；软线XAS显示近表面50-100nm处V价态变化与体相一致；O/F K边XAS揭示SEI为双层结构（外层有机碳酸酯、内层富LiF无机层）；TOF-SIMS深度剖析验证LiF富集；DFT计算表明V-F强键合驱动PF₆^-选择性分解，形成稳定SEI。

图4：宽温域零应变结构演化表征。原位XRD显示30°C循环时(001)与(111)峰可逆偏移，晶胞体积变化仅0.11%；60°C下体积变化略增至0.36%但仍保持零应变特征；原位TEM显示嵌锂过程中应变条纹移动但颗粒形貌体积几乎不变；COMSOL多颗粒应力模拟显示循环中应力应变可逆；与已知储锂材料相比，KVO体积变化率最低。

图5：零应变起源与快速Li⁺扩散机制。EXAFS显示V-O与V-V配位壳层在充放电中弹性可逆偏移，KO₁₀多面体收缩0.42%抵消VOₓ层膨胀；WT-EXAFS验证配位环境动态韧性；DFT计算揭示三维Li⁺传输路径（Path II/III能垒0.98/1.01eV远低于Path I的1.85eV），GITT测得高Li⁺扩散系数；COMSOL模拟显示颗粒内Li⁺浓度分布均匀。

图6：结构设计策略普适性验证。K₂VP₂O₈（P-421m空间群，VO₅与PO₄构成隧道，KO₈桥接）容量306mAh g^-1，10C循环1200圈保持93.8%，原位XRD显示零应变；K₂MgV₂O₇（P42/mnm空间群，MgO₄与VO₄构成隧道，KO₈桥接）容量339mAh g^-1，10C循环2000圈保持95.2%，零应变特征；Rb₃V₅O₁₄同样验证结构策略有效性，证明该设计原理的通用性。

综上，本研究提出了一种"层内渗透-层间桥接"的层状负极材料结构设计策略，以低成本钒基化合物K₃V₅O₁₄（KVO）为代表，通过VO₄四面体与VO₅五面体构建含丰富隧道的活性过渡金属层实现快速Li⁺渗透，并以KO₁₀多面体作为层间桥接铆钉活性层，协同实现零应变（晶胞体积变化仅0.11%）、高容量（377mAh g^-1）、优异倍率性能（10C保持147mAh g^-1）和超长循环寿命（10C循环19000圈保持88.3%）。

该策略在K₂VP₂O₈、K₂MgV₂O₇和Rb₃V₅O₁₄等材料中得到普适性验证，为开发下一代高能量密度、快充、长寿命和宽温域锂离子电池负极材料提供了通用设计原理，在电动汽车、大规模储能等领域具有重要应用前景。

Intraplanar percolation and interplanar bridge enables layered matrix for high-performance negative electrode. Nat. Commun., 2026. https://doi.org/10.1038/s41467-026-69387-z

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