铌掺杂与氧化铝涂层协同提升单晶NCM811正极材料的高电压性能研究

为解决镍富集层状氧化物LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2（NCM811）在高电压（≥4.5 V vs Li/Li+）下容量快速衰减的问题，研究人员首次提出铌（Nb5+）掺杂与Al2O3涂层的协同改性策略。通过调控Li+/Ni2+阳离子混排和抑制界面副反应，该材料在4.6 V下展现出卓越的倍率性能（5 C时150.4 mAh g?1）和循环稳定性（100次循环后容量保持率92.77%），为高能量密度锂离子电池的实用化提供了新思路。

　　

随着全球能源结构转型加速，锂离子电池（LIBs）作为清洁能源存储的核心器件，其性能瓶颈日益凸显。其中，镍富集层状氧化物正极材料（如LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂，简称NCM811）因高能量密度被视为下一代电池的“希望之星”，但其在高电压（≥4.5 V）下的快速容量衰减成为致命伤——晶体结构坍塌和电解液腐蚀像两把“达摩克利斯之剑”，严重制约实际应用。传统多晶材料（PC-NCM）的晶界裂纹问题虽可通过单晶化（SC-NCM）缓解，但Li⁺/Ni²⁺混排和氧析出反应仍导致性能劣化。面对这一挑战，重庆交通大学林利阳团队在《Journal of Alloys and Compounds》发表研究，创新性地将Nb⁵⁺体相掺杂与Al₂O₃表面涂层结合，犹如为材料装上“钢筋铁甲”，实现了4.6 V超高电压下的性能突破。

研究团队采用高温固相法对商业SC-NCM811进行改性：首先将原料与LiNbO₃混合煅烧实现Nb掺杂，再通过异丙醇铝水解在表面构建Al₂O₃纳米涂层。通过X射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）和电化学测试系统评估材料特性。

Results and discussion部分揭示：XRD显示所有样品均保持R-3m空间群结构，但Nb掺杂使（003）晶面峰左移，表明Nb⁵⁺进入晶格扩大层间距；电化学阻抗谱（EIS）证实Nb-NCM@ALO的电荷转移电阻降低53%，Li⁺扩散系数提升2个数量级。透射电镜（TEM）显示Al₂O₃涂层均匀覆盖颗粒表面，厚度约5 nm，有效阻隔HF腐蚀。

Conclusions部分总结：Nb⁵⁺掺杂通过“钉扎效应”抑制Li/Ni混排，使晶格氧稳定性提升；Al₂O₃涂层则像“防弹衣”般阻挡电解液侵蚀。二者协同使Nb-NCM@ALO在4.6 V下实现211.96 mAh g^?1的初始容量（0.1 C），5 C倍率下循环100次仍保持140.23 mAh g^?1，远超未改性样品。该研究为破解高镍正极材料“高压魔咒”提供了普适性策略，其“内外兼修”的设计理念可延伸至其他电极材料体系，对推动动力电池技术革新具有重要指导意义。