深圳大学胡江涛、张黔玲团队联合有研（广东）新材料技术研究院肖必威，ESM：离子-电子协同效应及混合正极的正极自充电行为- 大数跨境

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深圳大学胡江涛、张黔玲团队联合有研（广东）新材料技术研究院肖必威，ESM：离子-电子协同效应及混合正极的正极自充电行为

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2026-01-29

导读：深圳大学胡江涛、张黔玲团队联合有研（广东）新材料技术研究院肖必威，ESM：离子-电子协同效应及混合正极的正极自充电行为

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文章信息

离子-电子协同效应及混合正极的正极自充电行为

第一作者：魏浩然

通讯作者：胡江涛*，张黔玲*，肖必威*，刘丽佳*，王洪宾*

单位：深圳大学

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研究背景

近年来，针对富镍 NMC 正极的性能优化已开展了大量研究，其中 NMC 单晶因具有优异的体相与界面稳定性，相较多晶材料展现出更长的循环寿命。然而，在高容量 LIBs 的实际应用中，富镍单晶不可避免的界面反应仍不容忽视。与此同时，在长期循环过程中还会出现一些新问题，例如颗粒破碎，这将产生更多活性界面，从而劣化电化学性能并降低热稳定性。除材料本征改性之外，将富镍单晶与其他类型正极材料（如橄榄石型 LiMn_1-xFe_xPO₄，LMFP）进行复合，构建混合正极，也是提升性能的另一种可行途径。然而，两种正极材料的最优混合设计（如配比）仍存在争议，其动态层面的优化机理亦尚不清晰。本文设计了一款在受控比例下，由富镍 LiNi_0.83Mn_0.05Co_0.12O₂（NMC）单晶与碳包覆 LiMn_0.6Fe_0.4PO₄（LMFP）纳米颗粒构成的混合正极。

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文章简介

近日。深圳大学胡江涛、张黔玲团队联合有研（广东）新材料技术研究院肖必威在Energy Storage Materials期刊发表题为“Ion-Electron Synergistic Effect and Cathode Self-Charge Behavior of Hybrid Cathode”的研究论文。该论文设计并构筑了一系列由NMC单晶与碳包覆LMFP的复合正极体系，从中筛选出最优的复合比例。最重要的是，本研究发现了一种独特的正极自充电行为。

图1. 原位XRD谱图与复合正极自充电示意图

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本文要点

要点一：混合正极的离子-电子协同效应

NMC 单晶颗粒尺寸（直径为数微米）约为 LMFP 纳米颗粒（数百纳米）的近十倍，且 LMFP 纳米颗粒倾向于自发填充于 NMC 单晶颗粒之间的间隙，从而形成颗粒级配结构。两种正极材料的这种紧密耦合不仅可通过“桥接连接”效应（依托 LMFP 表面的碳层）显著提升 NMC 单晶之间的电子导通性，而且还能通过局部空间隔离作用减缓 NMC 与电解液之间持续发生的寄生副反应。同时采用XCT技术，分析材料的三维结构（包括固相材料骨架与孔隙网络），混合正极材料具有更加致密的孔隙结构和更短的孔道长度，整体的孔道状态得到优化，有利于电解液在整个电极中的均匀、稳定储存。此外，孔隙形状因子（反映孔道几何形态的圆整程度）也显著提高，从而有助于实现顺畅而稳定的电解液贯通，为 Li⁺ 的快速传输提供保障。

要点二：混合正极商业化应用前景

鉴于锂离子电池（LIBs）的实际应用需求，进一步设计并组装了以商业石墨为负极的全电池体系。正如预期，与 Graphite‖NMC 相比，Graphite‖(7NMC-3LMFP) 在倍率性能和循环稳定性方面均表现出明显优势。且在热稳定性方面，复合正极材料的人稳定性在各个方面均优于原始的NMC材料。在更高电流密度（5C）下的容量保持率显著提升（200次循环后35.71% vs 54.61%）。综合上述结果可以看出，7NMC-3LMFP在实际应用方面较原始 NMC 更具潜在优势。

要点三：混合正极的自充电（CSC）现象

混合正极的充放电过程可以概括为四个阶段：在充电初期和中期，来自 LMFP 与 NMC 的 Li⁺ 离子均倾向于穿过隔膜并正常沉积在锂金属负极上（步骤 I），此时 LMFP 仍保持单相固溶体转变机制，其主要动力学参数与 NMC 基本一致。在充电末期，LMFP 中 Li⁺ 的脱嵌转变为两相反应，并伴随动力学参数的显著下降，而 NMC 的动力学参数几乎不受影响。这种动力学差异导致 NMC 中 Li⁺ 的脱嵌速率明显快于 LMFP，从而在 NMC（高电位）与 LMFP（低电位）之间逐渐形成晶粒间电压差。当该电压差达到一定程度时，部分从 LMFP 脱嵌的 Li⁺ 优先嵌入相邻的 NMC 中，而非沉积在锂金属负极上，其余 Li⁺ 则仍正常沉积以贡献容量，从而产生 CSC 行为（步骤 II）。此时，LMFP 与 NMC 颗粒在空间上相互邻近，但在电子传输上基本相互隔离（主要由粘结剂和/或 CEI 界面所致）。充电过程中的 CSC 行为可通过高电压下的自发 Li⁺ 补偿来稳定 NMC 在高荷电态下的贫锂界面，这对于抑制颗粒破碎、副反应以及 CEI 界面劣化，从而提升 NMC 单晶的电化学与结构稳定性具有重要意义。同时，该 CSC 行为还可通过局部电场诱导效应提高 LMFP 的容量利用率。

在放电过程中，Li⁺ 离子首先从锂金属负极剥离，并重新嵌入 LMFP 与 NMC 的晶格中（步骤 III）。在放电末期，同样会发生 CSC 行为，即部分 Li⁺ 从 LMFP 中脱嵌并嵌入相邻 NMC 的界面结构中，而非返回锂金属负极（步骤 IV）。这一过程通过轻微的 Li⁺ 脱嵌，使完全放电状态下的 LMFP 具备更优的动力学特性。不能排除 CSC 行为在整个充放电过程中持续存在的可能性，仍需进一步深入研究。

要点四：前瞻

类似于对富镍多晶正极所采用的改性策略，表面包覆、离子掺杂及其组合策略同样适用于单晶材料。其中，表面包覆可稳定晶体表面、削弱持续发生于正极/电解液界面的副反应，而离子掺杂则有助于增强晶体结构的稳固性、缓解体相应变当前对于两种正极材料的最优混合设计（如配比）仍存在争议，其动态层面的优化机理亦尚不清晰。这也是未来研究的一个潜在方向。通过调控材料合成条件以最小化富镍单晶的结构缺陷，也被证实是缓解体相应变相关问题的有效手段。综合既有研究，富镍单晶材料的性能仍存在较大的优化空间。鉴于当前对高能量密度、长寿命和高安全性下一代锂离子电池的迫切需求，本工作所提出的正极复合技术在学术研究和产业创新方面均具有重要应用价值。

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文章链接

Ion-Electron Synergistic Effect and Cathode Self-Charge Behavior of Hybrid Cathode

https://doi.org/10.1016/j.ensm.2026.104920

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通讯作者简介

胡江涛，深圳大学化学与环境工程学院副教授，博士生导师，院长助理，广东省储能专家组成员，广东省科技厅“新型储能技术路线图”编制专家，深圳市海外高层次人才，中国化学学会会员。2018年获得北京大学理学博士学位， 2018-2021年在美国西北太平洋国家实验室从事博士后研究。2021年12月加入深圳大学，在化学与环境工程学院石墨烯及其复合材料研究中心开展新能源材料研发及应用研究工作。截至目前，以第一作者和通讯作者发表SCI论文50余篇，包括Nature Sustainability、Nature Communications、JACS、Joule、Advanced Materials、Energy & Environmental Science、National Science Review、ACS Energy Letters、Advanced Energy Materials、Advanced Functional Materials、Nano Letters、Carbon Energy、Energy Storage Materials、Nano Energy等，累计合作发表SCI论文100余篇，总引用6500余次，H因子41，已获美国授权发明专利2项。

肖必威，中国有研科技集团能源领域青年总师、教授，北京有色金属研究总院博士生导师，有研（广东）新材料技术研究院钠离子电池研发中心主任。现任中国材料研究学会理事。毕业于加拿大西安大略大学孙学良院士课题组，随后在美国西北太平洋国家实验室先后担任博士后和材料科学家。在Nature Commun., Adv. Mater.、Angew. Chem.、Nat. Mater.、Adv. Energy Mater.、Energy Environ. Sci.、Natl. Sci. Rev.等高水平期刊共发表论文100余篇，授权中国专利7件。论文共计引用8500余次，H因子48。获“中国有色金属学会会杰出青年工程师奖” 、“中国材料研究学会青年科技奖”等。担任Nature Communication, Joule等期刊审稿人、广东省科技厅“新型储能技术路线图”编制专家、美国化学会（ACS）2021年春季会议电池分会场承办人。孵化成立“瓦时动力（广东）科技有限公司”，为高性能钠离子电池提供全方位解决方案。