摘要：2025年4月30日刊登在《先进材料》的论文，记录着中国科研团队在锂电池领域取得的关键突破。中国科学院合肥物质科学研究院赵邦川团队联合深圳先进技术研究院、青岛大学的研究者，用自研设备捕捉到了富锂锰基正极材料内部氧原子的实时反应过程——这相当于给锂电池内部的微观

2025年4月30日刊登在《先进材料》的论文，记录着中国科研团队在锂电池领域取得的关键突破。中国科学院合肥物质科学研究院赵邦川团队联合深圳先进技术研究院、青岛大学的研究者，用自研设备捕捉到了富锂锰基正极材料内部氧原子的实时反应过程——这相当于给锂电池内部的微观世界装上了高速摄影机。

图释：a） SEM 图像，b） XRD 图谱和 c） LLO 材料的 EDS 图像。图片来源：先进材料 （2025）。DOI： 10.1002/adma.202420453

​实验团队搭建的高精度原位磁性测试平台，本质上是把超导量子干涉磁强计与电化学工作站进行了跨界组合。当研究者在手套箱里组装好纽扣电池，整个系统就能在充放电过程中持续监测材料的磁化强度变化。这种将磁学与电化学联姻的思路，让原本难以捉摸的氧氧化还原反应现出了原形。

图释：Li2MnO3 在不同带电态下的结构模型以及相应的 Mn 和 O 态的预测密度。图片来源：Qiu Shiyu

​磁性数据揭示出两个戏剧性转折：当电压攀升到4.5伏特前，磁化强度持续走低，对应着镍元素从+2价向+4价的跃迁；突破这个临界点后，本该继续下行的曲线突然掉头回升。研究团队在凌晨三点盯着屏幕上的异常波动时，意识到他们可能抓住了氧气泡从电解液里逃逸前的关键瞬间。

这种反直觉的磁学信号，指向了材料中氧的集体行为。就像被推倒的多米诺骨牌，部分氧原子在失去电子后形成的空穴会引发连锁反应，导致周围原子磁矩的重新排列。这种微观层面的雪崩效应，最终以宏观磁化强度反弹的形式被设备捕获。

传统锂电正极主要依赖钴、镍等金属的氧化还原储锂，就像银行里的固定金库。而富锂材料的氧反应机制相当于开发了流动储蓄，理论上能存储更多电荷。但过去十年间，这种材料在充放电时频繁发生的结构崩塌，让全球实验室的充气手套箱里堆满了失效的样品。

研究团队在合肥的实验室里做过对比：普通三元材料循环50次后，透射电镜图像依然清晰；而未经改良的富锂材料在同样条件下，表面已布满纳米级的裂纹。新发现表明，氧的过度活跃就像脱缰的野马——既要利用其高容量，又得用晶体结构构筑围栏。

这项研究改写了教科书里对氧氧化还原的理解。过去认为氧的电子转移是离散的单兵作战，新证据显示它们更像是有组织的兵团行动。当电压突破临界值，材料中的氧网络会形成传导路径，这种协同效应可能解释为何富锂材料能实现远超理论值的容量。

深圳团队的计算模拟给出了佐证：在完全脱锂状态下，氧原子的p轨道电子云呈现出特殊的重叠形态，这种电子高速公路让电荷能够集体迁移。青岛大学的同步辐射实验则捕捉到材料中氧空位的动态分布，与磁性数据的变化节奏完美吻合。

工业界更关注这项发现的应用前景。目前量产的动力电池能量密度卡在300瓦时/公斤已近五年，而实验室的富锂材料样品可以达到400瓦时/公斤。但每循环一次的电压衰减，就像不断漏气的轮胎制约着实际应用。新研究指出，通过调控材料磁学特性来稳定氧晶格，可能找到解决问题的钥匙。

论文里藏着个有趣的细节：当电池充电到4.8伏时，磁化曲线出现了周期性抖动。这让人联想到气象雷达上的台风眼结构——在氧反应最剧烈的区域，是否存在着某种自组织的稳定态？这个意外发现可能为下一代固态电池的设计提供新思路。

研究团队正在扩建实验装置，计划把中子衍射等更多检测手段集成到原位平台。他们想象未来某天，电池研发可以像调试交响乐那样，实时调整每个元素的电子状态。而此刻的突破，至少证明我们离揭开氧反应的神秘面纱又近了一步。

参考文献：

Shiyu Qiu et al, Operando Magnetism on Oxygen Redox Process in Li-Rich Cathodes, Advanced Materials (2025). DOI: 10.1002/adma.202420453 . advanced.onlinelibrary.wiley.c … .1002/adma.202420453

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来源：科学剃刀