01 研究背景

高能量密度动力电池是储能、新能源汽车发展核心，加厚正极极片是提升电芯能量密度最直接路线。但传统富锂层状氧化物的厚电极存在三大致命短板：

一是仅二维层内锂离子通道，厚电极固相传输路径过长，锂浓差极化严重、活性材料利用率低；

二是充脱锂产生巨大集中电化学-力学应力，晶格畸变、颗粒开裂，长循环衰减剧烈；

三是晶格氧氧化可逆性差，持续析出氧气，诱发正负极交叉副反应，大幅缩短电池寿命。

常规造孔、3D打印等厚电极改性手段会牺牲体积能量、工艺复杂难以量产，仅控制孔隙无法从材料本征解决离子输运与晶格破损问题，亟需从晶体微观结构层面开发适配高负载厚电极的改性方案。

02 工作简介

厦门大学联合多所高校团队通过精准分段控温煅烧工艺，在富锂层状氧化物（LRO）内部可控引入相干孪晶界（CTBs）得到CTLRO材料，系统性解决厚电极离子输运、晶格应力、析氧副反应三大痛点。借助HAADF-STEM、同步辐射XRD、XAS、单颗粒力学测试、原位XRD、TOF-SIMS、DEMS、COMSOL模拟、BatPaC经济建模等多维度表征与计算验证：相干孪晶界可构筑准三维锂离子扩散通路，大幅提升离子传导速率；孪晶界分散晶格集中应力，降低循环形变；界面重构氧配位构型，激活惰性晶格氧提升可逆容量，同时稳固氧骨架、抑制不可逆释氧。

电化学测试表明，CTLRO可制备最高47.9 mg·cm-2超高负载厚正极，对应13.0 mAh·cm-2超高面容量，可在-15 ℃~55 ℃宽温域稳定工作；组装1.05 Ah Si/C||CTLRO软包电芯，电芯质量比能量达326.7 Wh kg-1，30 ℃、100 mAg-1条件循环100圈后容量保持率88.5%、平均电压保持96.9%。整套改性工艺仅调控煅烧流程，无需复杂制备设备，高压实电极孔隙维持29%符合工业标准，具备规模化制造潜力，为高能量厚层富锂正极提供全新晶体结构调控思路，相关成果发表于《Nature Nanotechnology》。

03 内容表述

图1

图1为CTLRO相干孪晶微观结构与离子、应力机理示意图，包含厚电极离子扩散对比模型、HAADF-STEM孪晶形貌、原子级晶体模型以及GPA计算所得应变结果。STEM直接观测孪晶(003)晶面与周期性Li/TM混排(104)晶面，解释跨层Li+传输位点；原子模型阐明孪晶区TM3b-O6c-Li3a向Li3b-O6c-Li3a构型转化，激活晶格氧；GPA应变表征证实孪晶可均分晶格应力，避免局部高应变造成结构破损。

图2

图2为PLRO与CTLRO力学、晶体、局域原子化学对比表征，包含单颗粒压溃力学曲线、同步辐射XRD精修、PDF、Ni/Co/Mn XAS、小波变换、EXAFS拟合。单颗粒测试证明CTLRO抗压强度更高，适配辊压厚电极；同步辐射证实孪晶引发适度晶格膨胀，Li2MnO3晶胞体积增大；PDF与EXAFS显示Mn-O键缩短、锰八面体畸变更轻微。

图3

图3聚焦厚电极工程性能与技术经济分析，包含不同载量电芯比能量测算、电芯制造成本TEA、高负载扣电循环、1.05 Ah软包长循环、超高负载电极截面元素扫描、单层47.9 mg·cm-2锂金属软包测试。建模证明提升极片面载可减少电芯堆叠层数，降低集流体/隔膜等辅料消耗、压缩制造成本；截面SEM+EDS证明高负载辊压电极无分层、金属元素均匀分布；电化学测试证实33.6、47.9 mg·cm-2超高负载下，基于CTLRO组装的安时级电芯验证改性方案可工业化放大。技术经济测算采用BatPaC软件完成电池包层级成本计算。

图4

图4是多手段耦合机理验证，涵盖首圈充放电曲线、晶格应力示意图、TOF-SIMS锂分布、原位XRD、拉曼、原位DEMS氧气检测、EIS-DRT阻抗分析。TOF-SIMS直观证明CTLRO厚电极锂分布均匀，消除浓差极化；原位XRD证明循环后CTLRO层状骨架保留度更高；拉曼证实晶格应变显著降低；DEMS定量测得CTLRO电芯释氧量下降一个数量级；EIS-DRT分析说明正极-固态电解质界面阻抗几乎无增长，大幅缓解电解液副反应，完整闭环解释孪晶界长效稳定机制。

04 总结与展望

本工作通过简单煅烧调控在富锂氧化物中构建相干孪晶界，实现多重协同增益：孪晶界面搭建准三维锂离子通道，彻底解决厚电极离子输运瓶颈；均匀分散循环电化学-力学应力，抑制颗粒粉化；重构氧配位环境，激活可逆晶格氧同时大幅减少氧气析出，缓解正负极交叉副反应。CTLRO可适配47.9 mg·cm-2工业级超高负载厚正极，高低温循环、安时级软包电芯均展现优异电化学表现，制备工艺简单、电极孔隙符合商用标准，产业化门槛低。目前该工作仅完成实验室概念验证(TRL3~TRL4)，若推向大规模量产、拓展至其他正极体系，仍需优化大面积极片连续涂布、吨级粉体煅烧稳定控制等工程工艺，提升技术成熟度至TRL5及以上，相干孪晶晶体调控策略为下一代高能量密度动力电池正极开发提供全新可行路径。

05 文献信息

Coherent twins for manufacturing thick lithium-rich battery positive electrodes, Nature Nanotechnology,