武理-木士春＆曾炜豪︱AM：锂离子电池三元氧化物正极材料的多尺度失效机理

来源：木士春教授研究团队个人网站发布日期：2025-10-28

科匠文化 2025年10月28日 11:14 浙江标题已修改

本文由作者团队受邀供稿！一、研究背景：
对于高比能动力电池，Ni–Co–Mn 层状三元NCM已成主流正极材料，但其在充放电中会发生原子—颗粒—电极多尺度耦合退化。各种失效方式并非彼此独立，而是相互诱发、相互强化形成正反馈，最终影响容量、寿命与安全。由于NCM材料失效过程的复杂性，很难对其失效机理做出界线明确的分类。因此，要全面深入地理解三元正极材料的失效机理，需要从多个角度进行综合分析和研究。此外，传统表征在时空关联与因果解析上的局限，亟须联用原位/非原位多模态表征与模型分析，构建“原子事件—颗粒演化—电极失效”的因果链，为材料设计、结构优化与工艺策略提供依据，从而支撑三元正极的工程化与可靠应用。

二、文章简介：

近日，武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室木士春教授，曾炜豪博士后团队在跨尺度理解锂离子电池三元层状正极材料的失效机理方面发表见解，相关成果发表在Advanced Materials上。武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室为第一通讯单位，木士春教授、曾炜豪博士后为共同通讯作者，硕士生苏俊为第一作者。

图1. 三元正极材料跨尺度失效机理示意图。
三、研究内容：本文以“原子—颗粒—电极”多级视角系统梳理NCM三元正极的失效行为：在原子尺度，Ni由TM层经Oh–Td–Oh与Oh–VO–Oh两条通道迁移向Li层迁移形成Li/Ni阳离子混排，O 2p参与电荷补偿并在高电压/高Ni条件下更易形成过氧分子，造成晶格氧流失；阳离子混排与晶格氧流失相互作用，氧空位又进一步降低Ni迁移能垒，加速混排。在颗粒尺度，层状相的H2→H3转变引发c轴急剧收缩与各向异性应变，引发一次颗粒内裂与二次颗粒界裂，且高倍率与高截止电压显著放大裂纹面积，造成颗粒破碎与粉化；在电极尺度，涂布/压实/厚度等制造缺陷与孔道设计不足造成异质SoC不均，导电—黏结网络（如PVDF）在机械应力与化学腐蚀共同作用下退化，活性颗粒逐步脱离导电网络，与反应不均性互为因果，构成正反馈；进一步，本文将相变与界面副反应置于跨尺度链中：裂纹→电解液渗透→表面重构（岩盐/自旋/O1）→TM溶解与跨极沉积→阻抗升高的协同演化；在方法上，评述了原位/非原位XRD/NPD、XAS/RIXS、STEM/4D-STEM、TXM-EXAFS、BCDI、OM、XCT/NCT等表征；在对策上，本文提出通过掺杂/共掺与表面涂层稳定TM–O键、抑制氧释放与Ni迁移；通过一次粒径与取向（如径向排布）、高熵/相界铆钉减轻应变开裂；借助3D导电骨架、韧性/自修复黏结剂与梯度/多孔结构缓解厚电极传输瓶颈；展望面向工程应用的超快跨尺度表征、可扩展因果建模与数字孪生，以及基于多尺度认知的定向再生策略。

图2. 原子尺度阳离子混排机制。图3. 原子尺度晶格氧损失机制。图4. 颗粒裂纹形成机制。

图5. 电极反应不均匀性。

图6. 多尺度上的相变。图7. 多尺度上的副反应。图8. 高度概括展示了NCM正极材料在不同尺度上的失效路径和相互关系。它揭示了从原子尺度的不可逆的氧反应和过渡金属（TM）跃迁，到颗粒尺度的晶格应变积累和结构损伤，再到电极尺度的反应不均匀性和导电/粘结网络降解等一系列失效过程。这种多尺度视角有助于读者全面理解NCM材料失效的复杂性和层次性，也是文章的核心。图9. 跨尺度表征手段。
四、结论与展望：该论文构建了原子→颗粒→电极的跨尺度失效过程并指出：原子尺度的电子结构不可逆变化（TM氧化与O二聚化）是根本原因，经由应变累积与裂纹演化放大至电极尺度的反应不均与导电/粘结网络退化，形成正反馈退化回路。展望方面，提出三条路径：1）超快与高分辨表征联用机器学习，原位跨尺度追踪缺陷演化；2）构建可扩展的多尺度因果模型，以实现从原子级到电极级劣化的全面映射与深入理解；3）建立闭环的数字孪生系统，结合物理基础的退化模型与数据驱动的算法，实现电池系统的寿命预测及运行过程中的性能优化，从而在电池的使用过程中有效抑制性能衰减；并根据多尺度理解基础设计原子-颗粒-电极层面的定向再生策略。
五、致谢：感谢国家重点研发计划（2023YFB3809300）、国家自然科学基金（22509153）、中国青年科学家基金博士后项目（编号GZB20250049）以及材料合成加工技术国家重点实验室（武汉理工大学）（2025-ZT-2）的资助。??
Authors: Jun Su, Dongqi Li, Juan Wang, Weihao Zeng*, Xuanpeng Wang, Xingye Chen, and Shichun Mu*Title: Multiscale Failure Mechanisms of Ternary Oxide Cathode Materials for Lithium-Ion BatteriesPublished in: Advanced Materials, doi: 10.1002/adma.202506063

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