01 文章信息

第一作者：郝佳男

通讯作者：董锦洋*，苏岳锋*，陈来*

单位：北京理工大学材料学院、北京理工大学重庆创新中心、中国电力科学研究院、北京理工大学珠海校区

使用设备：元能PRCD1100粉末电阻率&压实密度仪

02 研究背景

富锂锰基层状氧化物正极（LRM）因其高比容量和低成本，成为下一代高能量密度锂离子电池的有力候选材料。然而，LRM材料在实际应用中面临多重挑战：独特的Li-O-Li结构虽然促进了阴离子氧化还原活性，但也导致不可逆的氧释放，造成首周循环容量损失；深度脱锂过程中过渡金属易从层状结构的八面体位置迁移至锂层四面体位置，引发层状相向尖晶石或岩盐相的不可逆转变；氧损失进一步引起过渡金属价态降低，导致连续的电压衰减；此外，Li2MnO3组分固有的低离子电导率和缓慢的氧阴离子氧化还原动力学，严重制约了材料的倍率性能。传统改性策略如掺杂、包覆、异质结构设计和晶面调控虽有一定效果，但往往涉及复杂的原料和繁琐工艺。更为重要的是，单一材料改性难以同时解决结构稳定性、离子传输动力学，界面副反应和压实密度低等多重问题。因此，发展电极级别的协同设计策略，通过不同材料体系的物理耦合实现性能互补，具有重要的科学意义和工程价值。

03 文章简介

富锂锰基层状氧化物正极（LRM）因其高比容量和低成本，成为下一代高能量密度锂离子电池的有力候选材料。然而，LRM材料在实际应用中面临多重挑战：独特的Li-O-Li结构虽然促进了阴离子氧化还原活性，但也导致不可逆的氧释放，造成首周循环容量损失；深度脱锂过程中过渡金属易从层状结构的八面体位置迁移至锂层四面体位置，引发层状相向尖晶石或岩盐相的不可逆转变；氧损失进一步引起过渡金属价态降低，导致连续的电压衰减；此外，Li2MnO3组分固有的低离子电导率和缓慢的氧阴离子氧化还原动力学，严重制约了材料的倍率性能。传统改性策略如掺杂、包覆、异质结构设计和晶面调控虽有一定效果，但往往涉及复杂的原料和繁琐工艺。更为重要的是，单一材料改性难以同时解决结构稳定性、离子传输动力学，界面副反应和压实密度低等多重问题。因此，发展电极级别的协同设计策略，通过不同材料体系的物理耦合实现性能互补，具有重要的科学意义和工程价值。

04 本文要点

图1. LMDR结构、形貌及压实密度与导电性测试

研究表明，LMDR刚性网络构建未改变各组分相组成和晶格参数。LMDR-10实现了各组分的均匀分布。压实密度及粉末电阻测试表明，LMDR可有效提高电极密度及降低整体电阻。材料的压实密度与粉末电阻是借助于元能科技（厦门）有限公司的粉末电阻率&压实密度仪（PRCD1100, IEST）进行测试的。

图2. 电化学性能测试

电化学测试结果显示，在1 C下循环300周后，LMDR-10容量保持率提升，电压衰减降低。dQ/dV分析表明，LMDR-10有效抑制了层状相向尖晶石相的不可逆转变。GITT测试证实，LMDR-10提高了锂离子扩散系数。LMDR-10倍率性能改善。

图3. DEMS、原位EIS及软X射线吸收谱分析氧氧化还原行为

DEMS显示，LMDR-10氧氧化还原可逆性提高。原位EIS揭示LMDR-10的界面副反应被有效抑制。O K-edge软X射线吸收谱分析表明，LMDR-10的TM-O骨架结构稳定性增强。上述结果共同证实，LMDR实现了稳定的表面结构，调节的阴离子氧化还原活性，从而提升了整体电化学稳定性。

图4. 循环后样品的EIS、拉曼光谱、AFM、XPS及WT-EXAFS分析

循环后电极的多尺度表征深入揭示了LMDR-10的优势： LMDR-10相转变被显著抑制，具有更均匀的应力分布，循环后LMDR-10的晶格氧强度更高，且Mn-O和Mn-Mn键强度更高。实验室级厚电极测试结果表明，LMDR的优势在更高的负载量下仍可体现。

COMSOL模拟进一步证明，LMDR刚性网络在充放电过程中锂离子浓度分布和应力分布更加均匀，从而显著缓解了颗粒微裂纹的产生和电极开裂。

05 结论

本工作通过电极级别设计策略，成功将微米级层状富锂锰基正极与纳米级刚性材料进行协同集成，构筑了具有三维间隙传输网络的正极材料LMDR。所制备的LMDR-10展现出多重优势：高初始库仑效率、优异的长循环稳定性、显著抑制的电压衰减以及卓越的倍率性能。这项工作提供了关于颗粒间相耦合和局部环境调节如何协同稳定富锂系统中氧化还原化学的机制见解，为发展高能量密度、长寿命富锂正极材料提供了可规模化实施的电极设计新范式。

06 文章链接

Rational Design of Li-Rich Hybrid Cathodes with Stiff Redox-Active Interstitial Networks Enabling Local Environment Engineering for Reversible Oxygen Redox. Energy Storage Materials, 2026, 88, 105121.