调控钴的梯度分布，开发超长循环单晶超高镍正极。 提高电动汽车的续航里程和安全性能是新能源领域的研究热点。超高镍正极材料因其较高的能量密度与功率密度被认为是最有前途的正极材料。目前主流的高镍正极多为多晶形貌，其循环过程中的颗粒开裂导致电化学性能的恶化。另外，电动汽车市场对钴的需求不断增长，同时钴的不均匀分布与地缘政治等问题为钴资源的开采和供应带来了重大挑战。因此，高镍正极材料向单晶化和无钴化是未来重要发展趋势。然而，在目前商业化的高镍正极材料中，钴仍然是不可或缺的元素，无钴高镍正极材料的商业化在现阶段仍具有挑战性。
2025年12月12日，中南大学王接喜教授团队与巴斯夫杉杉电池材料有限公司合作在Joule期刊上发表了一篇题为Tailoring cobalt gradient distribution toward practical Ni95 cathode for high-energy-density lithium-ion battery的研究论文。在该研究中，王接喜教授团队指出，既然商业化的高镍正极不能完全无钴，那么就在钴的最优下限值中调控钴的最优分布。他们在低钴浓度下调控了钴在单晶颗粒中的分布，并深入研究了钴表面梯度掺杂结构对M-H1相变动力学的影响以及对循环稳定性的改性机理。更重要的是，该研究中的单晶超高镍正极材料已在巴斯夫杉杉电池材料有限公司量产。论文通讯作者为王接喜教授；第一作者为闫禹岑博士；通讯单位为中南大学。
摘要图
研究亮点
1 最优钴梯度分布的调控减少了钴资源的消耗；
2 钴梯度掺杂结构显著提高了放电过程中M-H1相变的动力学；
3 2000次循环后容量保持率高达87.1%的单晶超高镍正极材料已在巴斯夫杉杉电池材料有限公司量产。
主要研究内容
一、钴的最优分布与表面梯度掺杂结构的构建：
1 钴的体相掺杂与表面包覆协同改性优于单一改性；
2 单晶颗粒表面存在一层富钴低镍的层状改性结构，钴以梯度掺杂形式存在。
二、钴表面梯度掺杂结构提高材料电化学性能：
1 钴显著提高了常温、高温、高电压条件下的放电比容量与容量保持率；
2 钴显著提高了材料的动力学性能，放电过程中M-H1相变动力学的提升尤为显著；
3 优化后的材料组装的软包电池在2000次长循环后容量保持率高达87.1%，实际应用能力强。
三、钴表面梯度掺杂结构的改性机理：
该研究从相变、晶体结构演化、电极-电解质界面稳定性方面探究了其改性机理。
1 缓解了长循环过程中的晶内开裂与晶格收缩；
2 显著提高了晶格氧的稳定性，抑制了循环过程中层状结构向岩盐相的转化；
3 促进了稳定CEI的形成。
图1：钴的分布对循环性能的影响。
图2：钴表面梯度掺杂结构的构建。
图3：钴表面梯度掺杂结构显著提高电化学性能。
图4：改性机理——抑制晶内开裂与晶格收缩。
图5：改性机理——减轻长循环过程中表面微观结构的退化。
图6：改性机理——构建稳定的电极-电解质界面。
研究意义
这项研究同时解决了超高镍正极材料本身及其实际应用的关键科学问题。不仅缓解了钴资源分布不均带来的成本问题，而且为高性能低钴超高镍正极材料提供了一种界面改性策略。结合电解质优化、负极匹配等系统级创新，这类材料有望在电动汽车、储能系统中发挥更大作用。
未来，团队计划进一步通过材料结构的精准调控，在提升性能的同时，逐步摆脱对钴等关键资源的依赖，推动电池技术向更可持续的方向发展。（来源：科学网）
相关论文信息：https://doi.org/10.1016/j.joule.2025.102229
作者：王接喜等 来源：《焦耳》
