科匠文化 2025年10月28日 11:14 浙江標 題已修改
本文由作者團隊受邀供稿！
一、研究背景：
對于高比能動力電池，Ni–Co–Mn 層狀三元NCM已成主流正極材料，但其在充放電中會發生原子—顆粒—電極多尺度耦合退化。各種失效方式并非彼此獨立，而是相互誘發、相互強化形成正反饋，最終影響容量、壽命與安全。由于NCM材料失效過程的復雜性，很難對其失效機理做出界線明確的分類。因此，要全面深入地理解三元正極材料的失效機理，需要從多個角度進行綜合分析和研究。此外，傳統表征在時空關聯與因果解析上的局限，亟須聯用原位/非原位多模態表征與模型分析，構建“原子事件—顆粒演化—電極失效”的因果鏈，為材料設計、結構優化與工藝策略提供依據，從而支撐三元正極的工程化與可靠應用。
二、文章簡介：
近日，武漢理工大學材料復合新技術國家重點實驗室木士春教授，曾煒豪博士后團隊在跨尺度理解鋰離子電池三元層狀正極材料的失效機理方面發表見解，相關成果發表在Advanced Materials上。武漢理工大學材料復合新技術國家重點實驗室為第一通訊單位，木士春教授、曾煒豪博士后為共同通訊作者，碩士生蘇俊為第一作者。
圖1. 三元正極材料跨尺度失效機理示意圖。
三、研究內容：
本文以“原子—顆粒—電極”多級視角系統梳理NCM三元正極的失效行為：在原子尺度，Ni由TM層經Oh–Td–Oh與Oh–VO–Oh兩條通道遷移向Li層遷移形成Li/Ni陽離子混排，O 2p參與電荷補償并在高電壓/高Ni條件下更易形成過氧分子，造成晶格氧流失；陽離子混排與晶格氧流失相互作用，氧空位又進一步降低Ni遷移能壘，加速混排。在顆粒尺度，層狀相的H2→H3轉變引發c軸急劇收縮與各向異性應變，引發一次顆粒內裂與二次顆粒界裂，且高倍率與高截止電壓顯著放大裂紋面積，造成顆粒破碎與粉化；在電極尺度，涂布/壓實/厚度等制造缺陷與孔道設計不足造成異質SoC不均，導電—黏結網絡（如PVDF）在機械應力與化學腐蝕共同作用下退化，活性顆粒逐步脫離導電網絡，與反應不均性互為因果，構成正反饋；進一步，本文將相變與界面副反應置于跨尺度鏈中：裂紋→電解液滲透→表面重構（巖鹽/自旋/O1）→TM溶解與跨極沉積→阻抗升高的協同演化；在方法上，評述了原位/非原位XRD/NPD、XAS/RIXS、STEM/4D-STEM、TXM-EXAFS、BCDI、OM、XCT/NCT等表征；在對策上，本文提出通過摻雜/共摻與表面涂層穩定TM–O鍵、抑制氧釋放與Ni遷移；通過一次粒徑與取向（如徑向排布）、高熵/相界鉚釘減輕應變開裂；借助3D導電骨架、韌性/自修復黏結劑與梯度/多孔結構緩解厚電極傳輸瓶頸；展望面向工程應用的超快跨尺度表征、可擴展因果建模與數字孿生，以及基于多尺度認知的定向再生策略。
圖2. 原子尺度陽離子混排機制。
圖3. 原子尺度晶格氧損失機制。
圖4. 顆粒裂紋形成機制。
圖5. 電極反應不均勻性。
圖6. 多尺度上的相變。
圖7. 多尺度上的副反應。
圖8. 高度概括展示了NCM正極材料在不同尺度上的失效路徑和相互關系。它揭示了從原子尺度的不可逆的氧反應和過渡金屬（TM）躍遷，到顆粒尺度的晶格應變積累和結構損傷，再到電極尺度的反應不均勻性和導電/粘結網絡降解等一系列失效過程。這種多尺度視角有助于讀者全面理解NCM材料失效的復雜性和層次性，也是文章的核心。
圖9. 跨尺度表征手段。
四、結論與展望：
該論文構建了原子→顆粒→電極的跨尺度失效過程并指出：原子尺度的電子結構不可逆變化（TM氧化與O二聚化）是根本原因，經由應變累積與裂紋演化放大至電極尺度的反應不均與導電/粘結網絡退化，形成正反饋退化回路。展望方面，提出三條路徑：1）超快與高分辨表征聯用機器學習，原位跨尺度追蹤缺陷演化；2）構建可擴展的多尺度因果模型，以實現從原子級到電極級劣化的全面映射與深入理解；3）建立閉環的數字孿生系統，結合物理基礎的退化模型與數據驅動的算法，實現電池系統的壽命預測及運行過程中的性能優化，從而在電池的使用過程中有效抑制性能衰減；并根據多尺度理解基礎設計原子-顆粒-電極層面的定向再生策略。
五、致謝：
感謝國家重點研發計劃（2023YFB3809300）、國家自然科學基金（22509153）、中國青年科學家基金博士后項目（編號GZB20250049）以及材料合成加工技術國家重點實驗室（武漢理工大學）（2025-ZT-2）的資助。
Authors: Jun Su, Dongqi Li, Juan Wang, Weihao Zeng*, Xuanpeng Wang, Xingye Chen, and Shichun Mu*
Title: Multiscale Failure Mechanisms of Ternary Oxide Cathode Materials for Lithium-Ion Batteries
Published in: Advanced Materials, doi: 10.1002/adma.202506063