哈工大（深圳）陆敬予、李德平、慈立杰Chem Soc Rev综述：锂离子电池层状高镍正极材料的微结构

第一作者：陆敬予

通讯作者：陆敬予*，李德平*，慈立杰*

单位：哈尔滨工业大学（深圳）

1976年，Stanley Whittingham发表第一篇可充锂电池文章，随后吸引全球诸多科学家奋力研究，并在过去近50年间开发出一系列锂电池电极材料等，实现锂离子电池（LIB）的商业化，并将其逐渐规模应用于各类可移动电子设备、电动车、及储能系统中（图1）。其中，基于高镍层状氧化物阴极的锂离子电池（如NCM与NCA三元电池）已为蓬勃发展的电动汽车提供强劲动力，但它们的行驶里程较为有限，并存在一些安全隐患。增加阴极中的镍含量是提高锂离子电池能量密度并缓解里程焦虑的关键策略。然而，高镍阴极微结构的稳定性与整体电化学性能随着镍含量的升高而逐渐下降（图2）。及时总结高镍阴极微结构的研究进展，有助于寻找更为有效的策略以提高其微结构稳定性，加速高比能高镍锂离子电池在电动车等领域的大规模应用。

近日，哈尔滨工业大学（深圳）陆敬予、李德平、慈立杰等在国际顶级期刊Chemical Society Reviews（IF=46.2）上发表题为“Microstructures of layered Ni-rich cathodes for lithium-ion batteries”的综述文章，系统总结锂离子电池高镍层状氧化物（尤其是三元NCM与NCA）阴极微结构方面的研究进展，包括其微结构的失效机理、稳定化策略、及新兴微结构表征技术，并分析目前存在的主要挑战与未来研究方向，为发展性能稳定的高比能高镍阴极材料提供指导。

大量研究表明，高镍阴极可以由一系列因素引发微结构失效等，从而导致电池性能迅速下降。

（1）二次颗粒：从表面到体相的处理。对二次颗粒的表面处理主要包括表面清洗、表面包覆、及内部注入等方式；而对其体相的处理，则可通过对活性材料合成过程的调控，实现对镍含量在二次颗粒内部的径向分布调控（图4），以尽可能的保持具有高比容量的高镍内核，同时利用低镍表面区域的稳定性优势提高二次颗粒的整体微结构稳定性。

（2）一次颗粒：棒状结构。通过对高镍阴极活性材料在合成中进行组分分区(compositional partitioning)设计，或引入部分离子掺杂等，可将常规材料中大小与形貌均随机分布的一次颗粒调控为径向分布的棒状甚至针状结构，且其长度方向平行于(003)晶面，这将传统二次颗粒中引发微裂纹的局部内应力调整为均匀周向应力，提高二次颗粒微结构稳定性与功率性能。

（3）尺寸调控：单晶化。传统高镍层状氧化物阴极活性材料主要为形状与尺寸均不规则的纳米级一次颗粒团聚而成，充放电过程中各向异性的晶格变化容易引发微裂纹等。将直径2-10 µm的单晶高镍颗粒直接作为活性材料用于阴极中，可以消除晶间微裂纹，减少表面相关副反应与气体析出，并可承受更高的压力，有利于提高电极的压实密度与体积能量密度等。

本文对锂离子电池高镍层状氧化物阴极材料的微结构失效机理、稳定化策略、以及先进表征技术进行系统深入的总结，分析现有主要挑战，包括高SOC下高镍层状氧化物阴极材料的晶格坍缩等，并对其未来的发展进行展望。

Jingyu Lu*, Chao Xu, Wesley Dose, Sunita Dey, Xihao Wang, Yehui Wu, Deping Li*, Lijie Ci*. Microstructures of layered Ni-rich cathodes for lithium-ion batteries. Chemical Society Reviews, 2024,

陆敬予：哈尔滨工业大学（深圳）助理教授。分别从西北工业大学、哈尔滨工业大学、新加坡南洋理工大学获得学士、硕士、博士学位，先后在新加坡国立大学、哈佛大学、剑桥大学进行博士后研究。研究方向主要为锂/钠可充电池与原位表征技术。发表SCI论文30余篇；以第一或通讯作者发表论文20余篇，其中近5年在Chemical Society Reviews, Energy & Environmental Science, Advanced Materials, Advanced Energy Materials, Chem, ACS Energy Letters, Energy Storage Materials等国际期刊上发表论文10余篇。曾获澳大利亚研究理事会(ARC)颁发的Discovery Early Career Researcher Award，深圳市海外高层次人才（C类）；以副主编撰写出版电池专著一部；担任Nano Research Energy，Energy Materials，及Tungsten等期刊青年编委，Nanomaterials等期刊客座编辑。

李德平：哈尔滨工业大学（深圳）副教授，博士生导师，深圳市高层次人才，主要从事新型电化学储能技术关键材料研制与器件开发。已主持国家自然科学基金、广东省粤深联合基金、深圳市优秀科技人才培养项目、国家博士后特别资助项目等。以第一/通讯作者身份发表SCI论文~40篇，累计引用2700余次 (h-index=28)，发表于Chemical Society Reviews (1), Advanced Materials (1), Energy & Environmental Science (2), Advanced Energy Materials (3), Advanced Functional Materials (1), Energy Storage Materials (3), Small (4), Science Bulletin (1)等期刊。现为Advanced Materials, Advanced Energy Materials, Advanced Functional Materials, ACS Nano等30余本专业期刊审稿人。已申请国家发明专利30余项。担任《Advanced Powder Materials》(ESCI收录，Cite Score=23.4) 特聘编委，《Nano Materials Science》(IF=9.9)、《Rare Metals》(IF=8.8)、《Tungsten》(IF=6.6)等科技期刊青年编委。已加入多个专业学术协会，包括：中国材料研究学会高级会员，深圳电源技术协会理事等。

慈立杰：哈尔滨工业大学（深圳）二级教授，国家创新长期特聘专家。2000年获得清华大学机械工程系博士学位；先后在中科院物理所，法国中央理工学院（法国教育部政府奖学金），德国马克斯-普朗克金属所（2004年德国洪堡奖学金），美国纽约州伦斯勒理工学院及得克萨斯州莱斯大学担任研究人员。在碳材料等领域有30多年的研发经历，在国际高端学术期刊发表了300余篇高水平的学术论文，论文被引用次数大于34000 (Google Scholar)，h因子80。其研发的“最黑材料”被收录为2008吉尼斯纪录。在石墨烯研究领域有很大的突破，其研究成果发表在了Nature Materials, Nature Nanotechnology, Nature Chemistry, Nature Communications, Chemical Society Reviews, Energy & Environmental Science, Advanced Materials, Advanced Energy Materials 等材料研究领域的著名期刊上。目前带领的科研团队的研究方向主要在新能源材料制备及应用、下一代储能新技术开发、碳纳米材料在生物和环境等领域的应用等。