金属所成会明院士&李峰/王春阳，重磅Nature Synthesis！！！

无钴富镍层状氧化物正极对低成本、高能量锂离子电池具有巨大前景，但其实际应用仍受限于迟缓的Li⁺动力学和快速容量衰减。尽管掺杂已被广泛用于缓解这些问题，传统试错式掺杂剂选择对于指导理性材料开发仍然低效。

基于此，中国科学院金属研究所李峰/王春阳研究员&中国科学院深圳先进技术研究院成会明院士超越经验性掺杂筛选，提出了一种基于掺杂剂电荷密度和金属-氧键强度的描述符指导多组分掺杂剂选择策略。低电荷密度掺杂剂降低Li⁺迁移的静电势垒，而高键能掺杂剂强化氧亚晶格并稳定金属-氧框架。该掺杂策略同时加速Li⁺动力学、抑制循环诱导相变并缓解化学机械疲劳，从而在无钴富镍正极中实现优异电化学性能。增强的表观Li⁺传输和结构稳定性使其具备超高倍率能力：25 °C下25C倍率时130.9 mAh g⁻¹；10C下循环350次后容量保持82.4%；稳健低温运行：−20 °C下1C时112.2 mAh g⁻¹。这些发现将设计原则从经验或试错式选择转变为靶向选择机制，为开发高性能锂离子电池正极材料提供了有前景的途径。

图1｜描述符指导多组分掺杂策略开发无钴富镍正极。
a，富镍层状正极中离子传输和结构稳定性的示意图。插图柱状图：红色柱表示NiO₆八面体的畸变率，蓝色柱表示相应的平均Ni-O键长。
b，20种常用掺杂离子的电荷密度（ρ_ion）和M-O键能（E_M-O）在双描述符图上的分布。点大小表示计算得到的非Jahn-Teller（JT）畸变Ni³⁺比例（0–20%）（补充说明1，补充表1和2）。
c，非Jahn-Teller畸变Ni³⁺和Jahn-Teller畸变Ni³⁺的态密度（DOS）。
d，Li⁺在非Jahn-Teller畸变Ni³⁺、Jahn-Teller畸变Ni³⁺和Ni²⁺周围的扩散能垒。
e，具有离域电子的不稳定O原子与具有局域电子的稳定O原子的示意图。

图2｜原始MD-LNMO的多模态结构和化学表征。
a,b，原始MD-LNMO的SEM（a）和原子分辨HAADF-STEM（b）图像。
c，能量色散谱图，显示在测量空间分辨率内MD-LNMO中没有明显的掺杂剂偏析。
d，XRD图谱和Rietveld精修结果。
e，Ni K边XANES谱。
f，原始MD-LNMO和NCM83的Ni K边FT-EXAFS谱。

图3｜MD-LNMO的系统电化学性能评估。
a，由GITT测量提取的Li扩散系数，以及MD-LNMO和NCM83在不同C倍率下的放电容量比（归一化至0.2C）。
b，MD-LNMO和NCM83在原始、首次充电（4.3 V）和首次放电状态下的电化学阻抗谱图及分析。R_s、R_int和R_ct分别代表电解质电阻、界面电阻和电荷转移电阻。
c,d，MD-LNMO和NCM83在10C（c）和25C（d）下、3.0–4.3 V范围内的长期循环和倍率性能。
e，超高倍率容量与已报道富镍正极的比较。
f，−20°C下1C循环性能。
g，5.74 Ah软包电池在−20°C下的性能。
h，单层软包电池在−20°C下循环700圈的容量保持。

图4｜MD-LNMO在电化学循环中的结构演变。
a，MD-LNMO与NCM83的原位XRD图谱比较。
b,c，MD-LNMO和NCM83在首次充放电循环中c轴（b）和体积变化（c）的比较。
d，充电至4.4 V（vs. Li/Li⁺）后MD-LNMO和NCM83的差示扫描量热曲线。
e，原始MD-LNMO和NCM83的电子顺磁共振谱。
f，MD-LNMO和NCM83在0.1C首次充放电循环中Ni K边的FT-EXAFS谱。
g，原始和200次循环后MD-LNMO和NCM83的Ni K边FT-EXAFS谱。
h，由f和g得到的MD-LNMO和NCM83配位距离变化比较。

图5｜MD-LNMO在长期循环中的氧化还原和结构稳定性。
a,b，原始和200次循环后MD-LNMO（a）和NCM83（b）的Ni K边XANES谱。
c，由a和b谱图得到的Ni K边能量位移E−E₀。
d,e，5C下循环150次后MD-LNMO（d）和NCM83（e）的HAADF-STEM图像、快速傅里叶变换和几何相位分析。下部分显示沿上部分白色矩形区域III测量的线轮廓。
f，5C下循环150次后MD-LNMO和NCM83的Ni价态（L₃/L₂比）电子能量损失谱图。使用NiO（Ni²⁺）和LiNiO₂（Ni³⁺）标准参考谱识别不同价态的特征L₃和L₂边位置。
g，从f中谱图提取的沿线轮廓的Ni²⁺和Ni³⁺浓度。Obs.表示观测值。

结论

总之，作者通过基于掺杂剂电荷密度和金属-氧键强度的描述符指导多组分掺杂剂选择策略，开发了一种无钴富镍层状氧化物正极MD-LNMO。这种靶向设计超越了传统试错掺杂，通过选择能够同时调控Li迁移静电环境和强化金属-氧框架的掺杂剂。结果，MD-LNMO表现出改善的表观Li传输动力学、抑制的循环诱导相降解、降低的化学机械降解以及改善的循环过程中体相和/或界面稳定性。这些耦合改进带来了优异的电化学性能，包括25C下超高倍率容量130.9 mAh g⁻¹、10C下循环350次后82.4%容量保持率，以及−20 °C下1C时112.2 mAh g⁻¹的稳健低温运行。更广泛地，这项工作确立了描述符指导掺杂剂选择策略作为开发下一代锂离子电池高性能正极材料的有前景途径。

Guan, S., Yu, T., Tang, P. et al.Descriptor-informed multi-component doping enables high-performance Co-free Ni-rich cathodes. 

Nat. Synth (2026). https://doi.org/10.1038/s44160-026-01152-y

文章来源：电解质前沿