南京航空航天大学材料科学与技术学院及江苏省储能材料与技术重点实验室申来法教授团队在高性能锂离子电池正极材料领域取得重要突破，其研究成果“Dual-Gradient Engineering of Elemental Concentration and Crystalline Architecture Enables High-Performance Ni-Rich Layered Oxide Cathodes”近日发表于国际权威期刊《ACS Nano》。该研究通过元素浓度与晶体结构的双梯度工程，成功解决了富镍层状氧化物正极材料在循环过程中的结构不稳定问题，为下一代高能量密度、长寿命锂离子电池的开发提供了创新路径。
富镍层状氧化物（Ni≥0.9）因其高理论比容量和低成本优势，被视为高性能锂离子电池的关键阴极候选材料。然而，高镍含量在充放电循环中易引发界面副反应和晶格应力积累，导致材料结构崩塌和容量快速衰减。这一瓶颈问题长期制约着富镍正极材料的商业化应用。申来法教授团队针对这一挑战，提出了一种将锗（Ge）元素浓度梯度与可控相演变相结合的双梯度结构设计方案。研究团队通过调控球形颗粒内部的锗掺杂分布，构建了从颗粒表面到核心的径向浓度梯度，同时诱导材料在循环过程中发生从无序岩盐结构到尖晶石结构再到层状结构的渐进相变。
实验结果表明，这种双梯度结构通过多重机制显著提升了材料性能。首先，锗浓度梯度优化了锂离子扩散路径，使锂离子在电极材料中的迁移速率提高30%以上。其次，相变过程中镍元素的氧化态得到精准调控，有效抑制了电解液与正极材料间的界面寄生反应，将副产物生成量降低65%。更重要的是，从无序到有序的相变过程最小化了晶体学界面失配，使层状结构框架的稳定性提升40%，同时缓解了各向异性应力积累导致的微裂纹扩展。这些协同效应使材料在高速率条件下（4.3 V，10 C）展现出卓越的循环稳定性：在1 C倍率下循环200次后，放电容量仍保持171.4 mAh g⁻¹，容量保持率高达97.0%，远超传统富镍材料的性能指标。
研究团队通过透射电子显微镜（TEM）、X射线吸收近边结构谱（XANES）和原位X射线衍射（XRD）等先进表征技术，系统揭示了双梯度结构的作用机制。TEM观察显示，锗掺杂梯度使材料表面形成致密的尖晶石包覆层，有效阻隔了电解液侵蚀；而核心区域的层状结构则保持完整，为锂离子传输提供高速通道。XANES分析证实，相变过程中镍的平均氧化态从+3.2逐步调节至+3.0，这种氧化态的动态平衡显著减少了高电压下的结构畸变。原位XRD数据进一步表明，双梯度结构使材料在充放电过程中的晶格参数变化幅度减小25%，证明应力积累得到有效缓解。
该成果的学术价值在于突破了传统材料设计思路，将元素分布调控与晶体结构演化相结合，为复杂功能材料的设计提供了新范式。据了解：“双梯度工程的核心在于通过空间维度的元素分布优化与时间维度的相变路径控制，实现材料性能的协同提升。这种策略不仅适用于锂离子电池正极材料，也可推广至钠离子电池、固态电池等其他能源存储体系。”
据公开资料显示，申来法教授现任南京航空航天大学材料科学与技术学院副院长，是国家青年特聘专家、江苏省杰出青年科学基金获得者，2025年入选“强国青年科学家提名”。其团队长期致力于能源存储材料的基础研究与应用开发，在锂/钠离子电池电极材料、电解质界面调控等领域取得系列成果，相关技术已申请发明专利20余项。此次发表的研究工作得到了国家自然科学基金、江苏省前沿引领技术基础研究专项等项目的资助，南京航空航天大学分析测试中心为材料表征提供了关键技术支持。
随着电动汽车和大规模储能系统对电池性能要求的不断提升，开发兼具高能量密度、高功率密度和长循环寿命的锂离子电池成为全球科研界和产业界的共同目标。团队提出的双梯度策略，为解决富镍正极材料的稳定性难题提供了切实可行的解决方案，有望推动高镍三元材料在下一代动力电池中的规模化应用。预计未来3-5年内实现相关材料的产业化验证。这项研究不仅展现了我国在新能源材料领域的科研实力，也为全球能源转型提供了重要的技术储备。
DOI：10.1021/acsnano.5c10254
