三元氧化物正極（LiNixCoyMn1-x-yO2，NCM）憑借高能量密度和可調(diào)控的電化學性能，已成為鋰離子電池（LIBs）的有力候選；
然而，其在電化學循環(huán)過程中結(jié)構(gòu)退化問題依然突出，機械-化學-電化學多因素耦合導致的多尺度失效機制復雜。這些退化路徑最終削弱電池活性、壽命與安全性。
2025年10月21日，武漢理工大學曾煒豪、木士春在國際知名期刊Advanced Materials發(fā)表題為《Multiscale Failure Mechanisms of Ternary Oxide Cathode Materials for Lithium-Ion Batteries》的綜述論文，Jun Su（注：蘇?。?/span>為論文第一作者，曾煒豪、木士春為論文共同通訊作者。
在本文中，為系統(tǒng)厘清失效機理，作者從原子—顆?！姌O多尺度層級視角剖析NCM失效的起源與演化：原子尺度表現(xiàn)為陽離子混排與氧空位形成；顆粒尺度為機械應變累積誘發(fā)晶內(nèi)/晶間微裂紋與顆粒粉化；電極尺度則是活性材料從集流體剝離。
同時討論了跨尺度的相變與副反應，并評估了用于精準識別退化現(xiàn)象的前沿表征技術(shù)；分析了跨尺度失效研究面臨的挑戰(zhàn)并提出對策。
通過建立跨尺度框架，本綜述旨在啟發(fā)下一代NCM正極材料的理性設(shè)計，并指導退役NCM的回收與再利用。
圖1：三元正極材料跨尺度失效機制示意圖。
圖2：（a）Li/Ni混排構(gòu)型；（b）Ni、Co、Li磁矩；（c）LiNixCoyMnzO2陽離子無序度與Ni含量關(guān)系；（d）Ni原子兩種遷移路徑及遷移能隨鋰脫出量變化曲線；（e）F、Cl、Br、I摻雜對NCM811 Li/Ni反位缺陷形成能影響；（f）F摻雜對Ni離子遷移能壘影響。
圖3：（a）氧氧化過程中的電荷轉(zhuǎn)移模型及電子結(jié)構(gòu)變化；（b、c）氧二聚體形成、過渡金屬遷移及O2聚集機制；（d）不同Ni含量NMC首次充電過程中的氧釋放行為；（e）不同荷電狀態(tài)下的氧氧化行為；（f）鑭化表面工程抑制層狀正極晶格氧流失。
圖4：（a）過渡金屬離子遷移至鋰層誘發(fā)本征離子無序并產(chǎn)生氧空位；（b）氧空位加劇Li/Ni陽離子混排并影響相關(guān)遷移勢壘；（c）氧空位對荷電狀態(tài)25 %（左）與50 %（右）時Ni遷移能的影響。
圖5：（a）晶內(nèi)裂紋與循環(huán)電壓相關(guān)，位錯輔助裂紋演化過程示意；（b）不同Ni含量（003）面原位XRD及c軸晶格參數(shù)變化曲線；（c）循環(huán)過程中通過面滑移實現(xiàn)可逆微裂紋演化；（d）反復晶格旋轉(zhuǎn)導致晶內(nèi)裂紋形成；（e）高熵摻雜策略與（f）鈣鈦礦相抑制應變積累、緩解晶內(nèi)裂紋產(chǎn)生。
綜上所述，作者、揭示了三元氧化物正極材料（NCM）在多尺度下的失效機制（從原子級到電極級），闡明了結(jié)構(gòu)退化、相變與副反應之間的耦合關(guān)系，并提出了針對性改進策略。
本研究為高性能正極材料設(shè)計、壽命預測及退役材料高效回收提供了理論依據(jù)和技術(shù)路徑，對推動高能量密度鋰離子電池發(fā)展具有重要意義。
Multiscale Failure Mechanisms of Ternary Oxide Cathode Materials for Lithium-Ion Batteries. Adv. Mater,. 2025. https://doi.org/10.1002/adma.202506063.
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