改进离子交换法调控锂离子电池层状氧化物正极 | 进展

离子交换作为一种重要的拓扑化学反应策略，能够在温和条件下实现材料成分的精准调控，同时基本保持母体结构框架。该方法可将钠离子电池层状氧化物正极高效转化为相应的锂离子电池正极，并规避传统高温固相合成中常见的锂挥发损失、过渡金属迁移及结构退化等问题。然而，离子交换的实际应用仍面临反应路径难以预测、结构应力累积、晶格畸变及微裂纹生成等瓶颈，严重制约了正极材料的合成效率与电化学性能的发挥。因此，深入理解不同离子交换方法对结构演化机制的影响，并在此基础上优化合成策略，具有重要的科学意义与应用价值。

近日，中国科学院物理研究所苏东研究员团队与西北工业大学傅茂森教授合作，利用透射电子显微镜及多种表征手段，系统对比了固相球磨法与液相超声法两种离子交换路径的反应机制，揭示了能量传递模式对离子交换动力学与结构演化的调控规律，并在此基础上提出了“球磨—超声—退火”的组合优化策略，实现了离子交换率与结构完整性的协同提升。

研究发现，球磨法通过机械碰撞引入缺陷与局域应力场，驱动过渡金属层由1/5有序超结构转变为1/3有序构型，并伴随应力诱导的原子长程层间滑移；超声法则以集体振动模式激发表面反应，因体相能量快速衰减，交换受动力学限制，主要诱发层内无序和层间协同滑移。基于此机理认识，团队提出了“球磨预活化—超声促交换—后退火修复”的组合策略，即短时球磨构建离子快速传输通道，超声促进后续交换并保持结构完整，而后退火修复残余结构缺陷。该策略在2小时内实现98.3%的离子交换率，所得正极材料可逆容量达235 mAh/g，为兼顾高效交换与结构完整性的层状氧化物正极可控合成提供了新思路。

图：球磨和超声两种离子交换方法的能量传递、离子交换及结构演化示意图

相关研究成果以“Energy-Transfer-Modulated Structural Evolution during Lithium−Sodium Ion Exchange in Layered Oxide Cathodes”为题，发表于《Journal of the American Chemical Society》上。中国科学院物理研究所姬鹏翔与西北工业大学张琳为共同第一作者，中国科学院物理研究所苏东研究员与西北工业大学傅茂森教授为通讯作者。上述研究工作得到了中国科学院科技制高点项目、国家重点研发计划、国家自然科学基金、北京市科技新星计划等项目的支持。相关实验与模拟工作依托中国科学院robotic AI-Scientist平台完成，XAFS测试获得上海同步辐射光源BL13SSW线站支持。

编辑：Bingbing