高镍NCA/LFMP复合正极材料的4.5V高压稳定机制与电化学性能提升研究

针对高镍LiNi0.8Co0.15Al0.05O2（NCA）正极材料在高压循环中结构坍塌、容量衰减及热稳定性差等问题，研究人员通过表面包覆纳米LiFe0.2Mn0.8PO4（LFMP）构建复合正极材料。该材料在4.5V高截止电压和55℃高温下展现出71.0%的容量保持率，显著抑制了Ni2+迁移和LiF/NiO副产物生成，为高安全性锂离子电池设计提供了新思路。

　　

【研究背景】
在能源存储领域，锂离子电池因其高能量密度和功率密度成为电动汽车和便携电子设备的核心。然而，高镍层状正极材料LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂（NCA）在高压（>4.3V）循环中面临严峻挑战：镍离子价态变化引发相变（层状→尖晶石→岩盐相），导致结构崩塌；表面副反应（如Li₂CO₃生成、Ni⁴⁺氧化电解液）加剧容量衰减，甚至引发热失控。如何兼顾高能量密度与安全性，成为制约其大规模应用的关键瓶颈。

【研究设计与方法】
河南师范大学的研究团队创新性地将高压平台型纳米LiFe_0.2Mn_0.8PO₄（LFMP）通过球磨-烧结工艺包覆于微米级NCA表面，构建NCA/LFMP复合正极。研究采用SEM观察形貌，XRD分析相结构，电化学测试评估循环性能（4.5V截止电压，55℃），并通过差分扫描量热法（DSC）比较热稳定性。

【研究结果】

1. Experimental section
   通过调控LFMP包覆比例（5-15 wt%），发现10%配比（NCA/LFMP-10）的复合材料在SEM下呈现均匀分散的纳米级LFMP颗粒（200-400 nm），有效填充NCA二次颗粒间隙。

2. Results and discussion

   • 结构稳定性：LFMP包覆抑制了NCA表面Ni²⁺对Li⁺位点的占据，减少阳离子混排；XRD显示复合材料层状结构（R-3M空间群）稳定性显著提升。
   • 电化学性能：在4.5V高压下，NCA/LFMP-10的容量保持率达71.0%（纯NCA仅50.1%），且极化电压降低0.12V，表明界面阻抗减小。
   • 热安全性：DSC显示复合材料放热峰温度推迟15℃，归因于LFMP抑制了电解液分解和NiO/NiF₂等放热副产物的生成。

【结论与意义】
该研究证实LFMP包覆通过三重机制提升NCA性能：①物理屏障作用减少电解液侵蚀；②Mn²⁺/Mn³⁺（4.1V）电化学平台与NCA协同稳定高压锂脱嵌；③抑制Ni⁴⁺还原副反应。成果发表于《Journal of Alloys and Compounds》，为开发兼具高能量密度与安全性的锂离子电池提供了可规模化生产的材料设计方案。