近日，云南大学材料与能源学院/西南联合研究生院郭洪教授团队在国际知名期刊“Advanced Materials”期刊上连发表两项工作。（1）“Uncovering Electrochemical-Mechanical Interplay of Stable Ultrahigh-Nickel Cathode via Fine Structure Regulation”和（2）“Regeneration of Single-Crystal with Repaired of the (003) Crystal Plane from Degraded Polycrystalline Ternary Cathode”。结合前期的研究基础（Adv. Mater. 2024, 202412954; Angew Chem. Int. Ed. 2024, 64, e202422539; Adv. Mater. 2023, 36, 2305818; Energy Environ. Sci. 2024, 17, 780-790）之后，郭洪教授团队的两个创新工作如下：
工作一：
首次提出一种基于三元共晶熔盐的一步再生策略，解决了废弃多晶向单晶正极材料的转化与（003）晶面缺陷的同步修复问题。Regeneration of Single-Crystal with Repaired of the (003) Crystal Plane from Degraded Polycrystalline Ternary Cathode（论文链接https://doi.org/10.1002/adma.202523547）。博士生查云春为第一作者，郭洪教授为通讯作者。
从废旧锂离子电池（S-LIB）中回收阴极材料已成为全球能源转型迫切需要和不断升级的资源限制中的关键需求。直接再生法因保留了原始晶体结构，同时与常规湿法冶金和火法冶金工艺相比消耗更少的能量，成为高价值正极回收的主要策略。然而，目前的直接再生技术仍然面临两个关键限制。首先，大多直接再生法将多晶再生为新的多晶正极，无法消除损害结构完整性的固有晶界缺陷；将废料多晶实现单晶再生正极，不仅能消除晶界，从而减轻应力集中，抑制界面副反应，并保持均匀的晶格参数，为多晶正极的可持续再生提供了可行的途径。虽然先前的研究已经将（003）面缺陷与材料失效联系起来，但是用于功能再生的目标缺陷修复仍然在很大程度上未被探索。因此，将废多晶体转化为具有稳定的（003）晶面的单晶阴极构成了实现废电池的高价值闭环回收的战略必要性。
基于以上问题，郭洪教授团队提出一种基于LiNO₃-LiOH·H₂O-Li₂CO₃三元共晶熔盐的一步再生策略，实现了废弃多晶S-NCM523向单晶R-NCM523的转化与（003）晶面缺陷的同步修复。作者通过调控单晶化助溶剂、锂盐添加量、温度及时间，实现了将废弃多晶三元正极材料S-NCM523向单晶三元正极材料R-NCM523的升级再生。所得单晶R-NCM523展现出卓越的Li⁺扩散速率与结构稳定性，其在长循环性、倍率性能和低极化方面表现出显著增强的电化学性能。值得注意的是，利用协同效应增强单晶化的策略，可以作为提高截止电压下再生材料电化学性能的一种简单实用的方法。
工作二：
该研究提出Mo的引入方式如何改变微观结构和性能，揭示了早期结构演变与容量增长趋势之间的关联。Uncovering Electrochemical-Mechanical Interplay of Stable Ultrahigh-Nickel Cathode via Fine Structure Regulation（论文链接https://doi.org/10.1002/adma.202523526）。博士生赵贵权为第一作者，郭洪教授、孙勇疆副教授教授为通讯作者。
开发具有高比容量和低钴依赖性的超高镍（Ni>0.95）层状三元正极材料已成为下一代锂离子电池的研究重点。然而，商用LiNixCoyMnzO2（NCM）层状正极存在容量快速衰减和热不稳定性问题，且随着镍含量的升高这些问题进一步加剧。微观尺度上的潜在退化机制涉及不可逆晶格氧释放、表面重构、各向异性应力累积以及晶间微裂纹扩展，这些因素共同破坏了O3型层状氧化物的结构完整性。优化一次颗粒微结构后的富镍层状氧化物对于开发高能量密度锂离子电池至关重要。虽然传统的高价态元素掺杂能有效细化晶粒并形成柱状排列，但工业界对“制备-结构-性能”关系的理解尚不充分，这限制了其大规模生产。
因此，郭洪教授团队提出了Mo的引入方式如何改变微观结构和性能，揭示了早期结构演变与容量增长趋势之间的关联。与固相浓度梯度法不同，共沉淀策略实现了Mo的超分散掺杂，从而获得精细的一次颗粒和致密结构，通过内应力耗散减少了微裂纹。同时，内部致密结构还能限制电解液渗透，进而影响初始锂离子传输动力学。此外，该工艺诱导形成了贯穿LiNi0.95Co0.04Mo0.01O2整个体相的阳离子有序结构，抑制了Li+/Ni2+阳离子混排，并缓解了晶内/晶间应变。这些协同效应显著增强了结构稳定性，使其在5C倍率下仍能实现204.9 mAh g-1的放电容量。该工作为提升富镍正极材料的综合电化学性能提供了一种直接且可规模化的工业解决方案。
上述成果得到了国家自然科学基金面上项目、省先进能源材料国际联合研究中心、省高校全固态离子电池重点实验室，云天化股份有限公司及云南大学“双一流”学科建设项目的支持。
来源：材料与能源学院
编辑：张懿淼 责任编辑：李哲
