基于"水结构有序化"效应的绿色锂离子电池正极制造技术突破

为解决NMP溶剂在锂离子电池正极制造中的环境危害问题，韩国研究团队创新性地设计出基于"水结构有序化"效应的水系加工溶液。通过重构离子水合壳层形成有序阴离子-水簇结构，成功抑制了Ni-rich正极材料（LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2）的界面副反应，使其比容量达到205mAh g-1，循环稳定性媲美NMP工艺。该技术使电池制造能耗降低46%，为绿色电池生产提供新范式。

　　

在碳中和目标的全球背景下，锂离子电池（LIBs）作为清洁能源存储的核心器件，其制造过程的绿色化转型迫在眉睫。然而当前商业化生产中的N-甲基-2-吡咯烷酮（NMP）溶剂因其致畸性和高毒性被欧盟列为高度关注物质（SVHC），而传统水系加工又面临水分子与高镍正极材料（如LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂，简称NCM811）的剧烈界面反应，导致锂离子（Li⁺）溶出和结构退化。这一矛盾使得电池制造业陷入"环保工艺"与"性能保障"的两难境地。

来自韩国蔚山国家科学技术研究院（UNIST）的研究团队在《Nature Communications》发表突破性成果，从生物化学领域的"水结构有序化"（kosmotropic effect）现象获得灵感，设计出新型水系加工溶液。通过阴离子水合壳层重构，实现了正极材料界面稳定性的革命性提升，其制备的NCM811正极在比容量（≥205mAh g^-1）、面容量（≥3.7mAh cm^-2）和循环稳定性（400次循环保持80%）等关键指标上均达到商用NMP工艺水平，同时使制造能耗降低46%，材料成本减少96%。

研究团队采用多尺度表征与理论计算相结合的方法：通过密度泛函理论（DFT）计算阴离子静电势能，分子动力学（MD）模拟水合结构动态演变；利用傅里叶变换红外光谱（FT-IR）和二维核磁共振（¹H-¹H NOESY）解析水分子氢键网络；结合X射线衍射（XRD）和扫描电镜（SEM）评估材料结构完整性；最后通过电化学阻抗谱（EIS）和长循环测试验证电池性能。

【Reorganization of ion hydration shells via Hofmeister effect】

研究发现，硫酸根（SO₄^2-）等水结构有序化阴离子能形成强氢键网络（H-bond数比TFSI^-高2.5倍），使水分子OH伸缩振动能移向3200cm^-1低频区，表明水结构从自由态向束缚态转变。核磁共振显示SO₄^2-溶液的纵向弛豫时间（T₁）延长至3.5秒，证实水分子运动受限。

【Local hydration structures of kosmotropic/chaotropic aqueous solutions】

MD模拟揭示，SO₄^2-在NCM811表面5.75?范围内形成致密吸附层，其水分子稳定能（ΔE_s）达0.80kJ mol^-1，是TFSI^-的4倍。表面水分子停留时间（τ_water）延长2.9倍，有效阻隔了水与活性物质的直接接触。

【Chemical reactivity with cathode materials】

实验证实，0.5M Li₂SO₄溶液处理的NCM811锂溶出量比纯水降低83%，pH变化仅0.3。XRD显示I₀₀₃/I₁₀₄强度比保持1.43（原始材料1.46），表明阳离子混排得到有效抑制。SEM观察到次级颗粒完整性保持良好，而水处理组出现明显晶界裂纹。

【Electrochemical performance】

实际电池测试中，水结构有序化溶液制备的NCM811正极在18.2mg cm^-2高载量下实现205mAh g^-1比容量，50mg cm^-2超高载量时仍保持10mAh cm^-2面容量。对称电池测试显示离子电阻（R_ion）仅7.5Ω cm²，远低于TFSI^-处理组的80Ω cm²。

【Economic and environmental analysis】

技术经济分析显示，该工艺使电极制造成本降低23%，设备投资减少95%。相较于NMP工艺，能耗降低46%，CO₂排放减少97.1%，材料成本仅为NMP的4%。

这项研究通过跨学科创新，将生物物理化学中的水结构有序化效应成功应用于电池制造领域，解决了水系加工与高镍正极材料兼容性的世界性难题。其意义不仅在于提供NMP溶剂的绿色替代方案，更开创了通过溶剂分子工程调控电极界面反应的新范式。该技术可扩展至NCM622、NCM91/21/2等多种高容量正极材料，且与现有湿法产线完全兼容，为锂电产业的可持续发展提供了切实可行的技术路径。研究团队特别指出，未来可通过优化阴离子组合和氟-free粘结剂体系，进一步推动电池全生命周期的绿色化进程。