电池正极材料的能量密度主要取决于工作电压和比容量。因此，发展高电压正极材料是提升电池能量密度的重要途径之一。尖晶石镍锰酸锂(LiNi_0.5Mn_1.5O₄)具有高工作电压、三维锂离子扩散通道和低成本等优势，被认为是下一代快充电池正极材料的重要候选材料。然而，在高电压工况条件下，镍锰酸锂不可避免的两相反应会导致晶格应变与应力集中，会导致晶粒开裂、过渡金属溶出及界面失稳，最终导致循环寿命不足。这一问题在快充和高温等极端服役条件下尤为突出，严重制约了实际应用。

近日，中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心科研团队在高电压尖晶石正极材料研究方面取得进展。研究团队提出了多组分体相掺杂策略，调控了材料反应热力学，延长了固溶反应区间，缓解高电压相变引起的电化学-力学耦合失效，提升了镍锰酸锂正极材料的结构稳定性和快充性能。该材料在10 C倍率下，循环4000圈后，容量保持率达81.8%，在软包电池中表现出稳定的循环性能，验证了实际应用的潜力。成果以“Compositionally complex doping enables high-voltage spinel cathodes with ultrafast charging and chemo-electro-mechanical stability”为题发表于《美国化学会会刊》（Journal of the American Chemical Society）。金属所博士生邬慧泽、硕士生张琛昊为论文第一作者。李峰研究员、王春阳研究员为论文通讯作者。

研究表明，一般镍锰酸锂在高压区（＞4.75 V）发生两相反应，导致晶格畸变，会引发显著的电化学-力学耦合失效。多元素协同掺杂能够有效拓宽固溶反应区间，推迟两相反应的发生。原位X射线衍射结果表明，掺杂后材料在高电压区仍保持连续固溶反应特征，晶格收缩幅度明显降低。多尺度电镜表征、界面谱学表征表明，该策略可抑制晶粒开裂、有害岩盐相变及电极-电解液界面副反应。该研究的多元素协同掺杂实现了高电压尖晶石正极材料相变路径的精准调控，为高性能快充锂离子电池正极材料的设计开发提供了重要参考。

该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、辽宁省杰出青年基金、兴辽英才计划等项目的资助。

原文链接：https://doi.org/10.1021/jacs.6c00611

图1. 多组分掺杂调控相变路径思路与材料结构表征

图2. 多组分掺杂正极材料的电化学性能全面评估

图3. 多组分掺杂正极材料的结构稳定性表征