梯度煅烧温度调控LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2中Li/Ni混排的构效关系及其电化学性能优化研究

为解决高镍层状氧化物正极材料中Li/Ni混排（Li/Ni mixing）对电化学性能的影响机制不明的问题，研究人员通过梯度煅烧温度（725-800°C）调控LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2（NMC811）的晶体结构，结合中子衍射、原位XRD和GITT等技术，发现适度Li/Ni混排可平衡动力学性能与结构稳定性，为高能量密度电池材料设计提供理论依据。

　　

随着电动汽车市场的爆发式增长，动力电池的能量密度、循环寿命和成本成为行业核心竞争点。镍基层状氧化物正极材料（如LiNi_xMn_yCo_zO₂，NMC）因其高理论容量（275 mAh·g^-1）成为研究热点，但高镍含量导致的Li/Ni混排问题严重制约其实际应用。这种混排现象既在材料合成过程中形成，又在电池循环过程中加剧，引发晶体结构坍塌、界面副反应等一系列问题。尽管已有研究提出晶格调控、异质原子掺杂等策略，但针对特定组分（如NMC811）的Li/Ni混排系统性研究仍属空白。

为填补这一空白，宜宾职业技术学院等机构的研究团队在《Materials Today Energy》发表论文，通过精确控制煅烧温度（725°C、750°C、775°C、800°C）合成NMC811材料，结合中子衍射（Neutron diffraction）定量分析Li/Ni混排程度，并采用原位X射线衍射（in situ XRD）、恒电流间歇滴定技术（GITT）、交流阻抗谱（EIS）等多尺度表征手段，揭示了混排程度与电化学性能的构效关系。研究发现，725°C煅烧样品因过高的Li/Ni混排（6.5%）导致一次颗粒粘连严重，而800°C样品混排程度最低（2.1%）却引发晶格畸变。750°C处理的材料展现出最佳平衡：适度的混排（4.3%）既通过Ni²⁺占据Li层抑制H2-H3相变，又降低锂离子扩散能垒，使材料在100次循环后容量保持率达91.5%，显著优于其他组别。

关键技术包括：1）梯度温度固相法合成NMC811；2）中子衍射精确量化Li/Ni混排；3）原位XRD追踪充放电过程晶体结构演变；4）GITT分析锂离子扩散系数；5）微分电容（dQ/dV）评估相变可逆性。

材料合成
通过固相法在不同温度下制备NMC811，SEM显示725°C样品一次颗粒粘连明显，800°C样品则出现晶界裂纹，表明混排程度影响微观形貌。

结果与讨论
中子衍射数据表明，煅烧温度每升高25°C，Li/Ni混排降低约1.5%。电化学测试显示，750°C样品具有最优倍率性能（5C下容量180 mAh·g^-1），其锂离子扩散系数（10^-11 cm²·s^-1）比800°C样品高一个数量级。原位XRD证实适度混排能缓冲体积变化，抑制循环过程中的层状结构向岩盐相转变。

结论
该研究首次建立NMC811中Li/Ni混排程度与综合性能的定量关系，证明“适度混排”策略（4-5%）可替代部分元素掺杂，为高镍正极材料的工业化生产提供精准调控方向。沙特Princess Nourah bint Abdulrahman University的协作支持也体现了跨国合作在解决能源材料难题中的重要性。