摘要：全固态电池（ASSBs）是一种采用固体电解质取代传统液态电解质的新型储能技术，因其高能量密度和优异的安全性，被广泛应用于电动汽车和储能系统等领域。与传统的液态电解质锂离子电池相比，ASSBs 具有更高的热稳定性、更长的循环寿命和更高的安全性。然而，其中的富镍层
研究背景
全固态电池（ASSBs）是一种采用固体电解质取代传统液态电解质的新型储能技术，因其高能量密度和优异的安全性，被广泛应用于电动汽车和储能系统等领域。与传统的液态电解质锂离子电池相比，ASSBs 具有更高的热稳定性、更长的循环寿命和更高的安全性。然而，其中的富镍层状正极活性材料（CAMs）在循环过程中会发生严重的表面降解、剧烈的晶格体积变化，导致颗粒内部隔离以及 CAM 与电解质的脱离，从而加速容量衰减。这些问题极大地限制了 ASSBs 的实际应用，因此，如何提高富镍 CAMs 在 ASSBs 中的稳定性成为当前研究的关键挑战。
成果简介
为了解决这一问题，韩国汉阳大学Yang-Kook Sun院士团队在Nature Energy期刊上发表了题为“High-energy, long-life Ni-rich cathode materials with columnar structures for all-solid-state batteries”的最新论文。
该团队针对富镍 Li[NixCoyAl1−x−y]O2 复合正极材料在 ASSBs 中的衰减机制进行了系统研究，并通过表面和形貌调控策略优化了 CAM 的结构和性能。研究人员制备了不同 Ni 含量（80%–95%）的正极材料，包括原始材料（P-NCA）、表面修饰的硼涂覆材料（S-NCA）、形貌优化的 Nb 掺杂材料（M-NCA）以及兼具表面和形貌优化的材料（SM-NCA）。通过对比分析，他们发现 Ni 含量较低（80%）的材料主要受 CAM–电解质界面降解影响，而当 Ni 含量增加至 85% 及以上时，颗粒内部隔离和 CAM–电解质的脱离成为主导衰减机制。
基于这一认识，研究团队成功开发了具有柱状结构的高性能富镍 CAMs，并利用表面和形貌调控策略显著提高了材料的稳定性，有效改善了 ASSBs 的循环寿命和容量保持率，为高性能全固态锂电池的开发提供了新的研究思路。
研究亮点
(1) 本研究首次定量分析了全固态电池（ASSBs）中富镍层状正极活性材料（CAMs）的容量衰减因素，并探讨了其与 Ni 含量的关系，得到了不同 Ni 含量对电池性能影响的具体机制。
(2) 研究通过合成不同 Ni 含量（80–95%）的 Li[NixCoyAl1−x−y]O2 正极材料，并采用表面修饰（B 涂覆）和形貌优化（Nb 掺杂）的方法，系统研究了 CAM–电解质界面降解、颗粒内部隔离及 CAM 与电解质的脱离三种主要衰减因素的影响。结果表明：
① 当 Ni 含量为 80% 时，CAM–电解质界面的表面降解是容量衰减的主要原因；
② 当 Ni 含量达到 85% 或更高时，颗粒内部隔离及 CAM 与电解质的脱离成为主要衰减因素，且 Ni 含量越高，衰减越严重；
③ 采用表面修饰与形貌优化相结合的方法（B 涂覆 + Nb 掺杂），可有效抑制 CAM 降解，提高材料的结构稳定性和循环寿命。
(3) 基于对富镍 CAM 退化机制的深入理解，研究进一步提出了优化策略，成功制备了具有柱状结构的高性能富镍 CAMs，为高能量密度、高安全性的 ASSBs 发展提供了新思路。
图文解读
图1 | 高镍NCA正极材料的表面和形貌改性。
图2 | 表面和/或形貌改性NCA正极材料的电化学性能。
图3 | 高镍正极材料在ASSBs中的降解机制。
图4 | 高镍正极材料在ASSBs中容量衰减机制的定量分析。
图5 | S-Ni90和SM-Ni90正极材料在充电状态下的裂纹形成行为。
图6 | 不同操作压力下高镍正极材料在ASSBs中容量衰减机制的定量分析。
图7 | 干法加工的SM-Ni90正极材料的长期循环测试。
图8 | 全固态电池中复合正极材料容量衰减因素的策略总结。
结论展望
本研究系统揭示了富镍 NCA 正极在全固态电池（ASSBs）中的主要容量衰减机制，并定量分析了 Ni 含量对容量衰减因素的影响。研究结果表明，随着 Ni 含量的增加，正极材料从以界面降解为主的衰减模式逐步转变为由颗粒隔离和脱离引起的容量损失。这一发现为高性能富镍正极材料的优化提供了新的理论依据。此外，研究表明，采用表面涂层（B 掺杂）可有效缓解界面反应，形貌优化（Nb 掺杂）可减少微裂纹的形成，但如何防止正极颗粒与固态电解质的脱离仍然是一个关键挑战。因此，未来研究应侧重于提高 CAM 与 SE 之间的界面稳定性，如开发更优界面工程策略或构建更稳定的复合电极结构。本研究的成果不仅为 ASSBs 正极材料的设计提供了重要指导，也为未来高能量密度、长寿命全固态电池的发展奠定了基础。
文献信息
Park, NY., Lee, HU., Yu, TY. et al. High-energy, long-life Ni-rich cathode materials with columnar structures for all-solid-state batteries. Nat Energy (2025). https://doi.org/10.1038/s41560-025-01726-8
来源：华算科技