综述：提升可持续高倍率富镍正极材料以实现耐用锂离子电池的先进策略

《Progress in Neurobiology》：Advanced strategies to boost sustainable high-rate Ni-rich cathodes toward durable LIBs

本综述系统探讨了高倍率富镍正极材料（如NCM811）在锂离子电池（LIB）中的应用挑战与优化策略，重点分析了表面涂层（如LiAlO2）、掺杂（如Nb、Mg）、核壳结构、全浓度梯度设计以及计算工具（密度泛函理论DFT和机器学习ML）在提升结构稳定性、抑制阳离子混排（cation mixing）和微裂纹形成中的作用，为下一代高能量密度电池开发提供关键见解。

　　

数据驱动的建模与人工智能进展：数学、DFT与机器学习方法

密度泛函理论（DFT）已成为模拟和分析储能材料的重要工具，尤其通过广义梯度近似（GGA）函数（如PBE-GGA）精确预测材料结构并揭示底层机制。DFT能够研究原子尺度过程，包括结构演化、氧化还原活性和氧释放行为。结合机器学习（ML）方法，可整合实验与计算数据，预测材料性能、设计电解质并优化电池健康状态，显著降低研发成本并加速新材料发现。这些计算工具为理解富镍正极的降解机制和开发高可靠性电池提供了深刻见解。

富镍正极的结构演化与失效机制

富镍层状正极材料（如LiNi_xM_1-xO₂，M=Co、Mn/Al）采用α-NaFeO₂结构（R3?m空间群），其中过渡金属（TM）占据3a八面体位点，锂离子位于3b位点。在高镍含量（x≥0.6）下，材料虽具有高放电容量（~200 mAh g^?1）和高能量密度（~750 Wh kg^?1），但也面临阳离子混排（Ni²⁺占据Li⁺位点）、晶格氧流失、岩盐相形成、微裂纹扩展及热不稳定等问题。这些现象在高倍率充放电（如10C）时加剧，导致容量衰减和界面副反应，限制其长期循环性能。

表面涂层

表面工程是改善富镍正极性能的核心策略。涂层材料（如LiAlO₂、Li₂SiO₃、尖晶石型和NASICON型化合物）充当人工CEI层，抑制电解质分解和TM溶解，同时提升离子和电子电导率。例如，La₂Li_0.5Ni_0.5O₄涂层可减少副反应并增强电子传导；而优化涂层厚度与均匀性（如4–6 nm外延NiO层）能有效抑制相变和微裂纹，提高表面结构稳定性。三维离子通道涂层（如NASICON）还促进Li⁺快速迁移，改善高倍率性能。

掺杂改性

体相掺杂通过引入碱金属或过渡金属（如Nb、Zr、Mg）抑制阳离子混排、稳定晶体结构并扩大锂层间距。梯度掺杂（如镁梯度掺杂）可避免过度掺杂并减少副作用，而双掺杂（如Zr⁴⁺与La协同）结合体相与表面优势，形成强Zr–O键，加速离子扩散并增强结构韧性。掺杂还通过“柱效应”支撑层状结构，缓解机械应力，提升循环稳定性。

核壳与全浓度梯度（FCG）设计

核壳结构（如NCM811内核与梯度Ti⁴⁺掺杂壳层）和FCG设计通过成分渐变缓冲体积变化，减少相变损伤和热失控风险。这些策略保护高容量镍核，提高界面稳定性，并抑制寄生反应，从而显著提升电化学性能和热安全性。

结论

富镍正极材料是下一代高能量密度LIBs的关键，但需通过多策略协同优化解决其本征不稳定性。表面涂层、掺杂、核壳/FCG设计及计算模拟相结合，可显著提升高倍率性能、循环寿命和安全性。未来研究应聚焦于可持续、可规模化制备技术，并深化DFT与ML在材料设计中的应用，推动高性能电池商业化。