磷酸盐梯度掺杂富镍LiNi0.6 Co0.2 Mn0.2 O2 正极材料：高电压锂离子电池性能突破

为解决富镍层状正极材料（nrNCM）在高电压下容量衰减和结构不稳定的问题，研究人员通过磷酸盐（PO4 3? ）梯度掺杂技术，成功制备了P0.02 -nrNCM材料。该材料通过抑制颗粒生长、形成Li3 PO4 导电层，显著提升了锂离子迁移率和循环稳定性（100次循环容量保持率92.4%），为高能量密度锂离子电池（LIBs）的开发提供了新策略。

　　

研究背景与意义

随着电动汽车和储能系统的快速发展，高能量密度、长循环寿命的锂离子电池（LIBs）成为研究焦点。然而，传统正极材料如LiCoO₂
（LCO）因成本高、容量低（约140 mAh/g）难以满足需求。富镍层状材料（如LiNi_0.6
Co_0.2
Mn_0.2
O₂
，简称NCM622）虽具有高容量（约240 mAh/g），但在高电压（>4.3 V）下易发生结构降解、微裂纹形成及电解液副反应，导致容量快速衰减。如何通过材料改性提升其高压稳定性，成为当前研究的难点。

研究方法与技术

韩国国立研究基金会支持的研究团队采用梯度掺杂策略，将PO₄
^3?
引入NCM622前驱体，通过共沉淀和烧结工艺制备P_0.02
-nrNCM材料。利用扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）、X射线衍射（XRD）和X射线光电子能谱（XPS）分析材料形貌与结构，并通过电化学阻抗谱（EIS）和恒电流间歇滴定技术（GITT）评估锂离子传输性能。

研究结果

材料合成与表征
PO₄
^3?
梯度掺杂有效抑制了颗粒沿a轴的过度生长，形成尺寸均一的初级颗粒，并在表面生成Li₃
PO₄
离子导电层（TEM证实）。XRD显示掺杂未改变层状结构，但晶格参数微调，利于锂离子扩散。

电化学性能
在3.0-4.5 V电压范围内，P_0.02
-nrNCM在1 C倍率下展现166.07 mAh/g的可逆容量，100次循环后容量保持率达92.4%，显著优于未掺杂材料（156.65 mAh/g，79.1%）。高倍率（4 C）下仍保持优异性能，归因于Li₃
PO₄
层的界面保护和梯度掺杂优化的锂离子传输路径。

机理分析
EIS和GITT表明，PO₄
^3?
掺杂降低了电荷转移阻抗，提升了锂离子扩散系数（10^?12
cm²
/s量级）。Li₃
PO₄
层阻隔了电解液与高活性Ni⁴⁺
的直接接触，抑制了副反应和颗粒粉化。

结论与意义

该研究通过PO₄
^3?
梯度掺杂和Li₃
PO₄
层构建，实现了富镍正极材料在高电压下的结构稳定与性能提升。论文发表于《Journal of Alloys and Compounds》，为高能量密度LIBs的设计提供了新思路，尤其适用于电动汽车等高需求场景。通讯作者Songhoon Yoon和Hiesang Sohn强调，该方法可扩展至其他层状正极材料的改性，具有重要产业化潜力。