陈亚楠/胡文彬/许运华AM：几秒内超快速非平衡合成高性能锂电正极材料

正极材料的合成是决定锂离子电池的生产效率、成本和性能的重要因素。然而，传统的合成方法往往加热速度慢、反应过程多步复杂、反应动力学缓慢、能量高且耗时长。

为此，天津大学陈亚楠研究员、胡文彬教授及许运华教授等人报道了一种通过非平衡反应合成正极材料的超快高温冲击（HTS）策略，可同时实现高加热速率（~10⁴ °C/min）、高煅烧温度、高冷却速率（~10³-10⁴ °C/min）及快速反应动力学。其中，典型正极材料LiMn₂O₄的合成过程如下：首先通过典型的燃烧法制备前体，并应用预煅烧工艺在~660 °C下持续~9秒去除前体中的有机成分。然后，将所得产物在~970 °C下煅烧~8秒以生产LiMn₂O₄。与传统合成方法相比，高温超导的非平衡特性可在几秒钟内一步反应合成正极材料，降低了能耗且节省时间。

此外，非平衡过程往往会引入氧空位并形成小晶粒，这有利于提高电化学性能。最后，作者利用该方法合成了典型的正极材料，包括LiMn₂O₄、LiCoO₂、LiFePO₄和富锂层状氧化物/NiO异质结构材料，并展示了优异的电化学性能。

图1. HTS和传统工艺中LiMn₂O₄形成过程的第一性原理计算

在未来的工作中，利用HTS技术合成正极材料还有其他几种潜在的应用：

（1）首先，传统方法往往需要额外补充锂以补偿锂的损失，这可能导致难以准确控制正极材料的化学成分。然而，由于HTS过程中合成时间极短，可便于精确控制正极材料的成分；

（2）其次，缺陷工程是提高正极材料电化学性能的有效策略。HTS的非平衡特性可合成具有点缺陷（氧空位）、异质结构和位错的正极材料，有利于提高电化学性能；

（3）第三，HTS快速合成一系列正极材料的能力，可使研究人员基于人工智能技术快速筛选和鉴定一些新型正极材料。重要的是，这项研究提出的HTS策略不仅为合成高性能正极材料开辟了一条有效途径，而且还可扩展到锂离子电池之外。

图2. 富锂层状氧化物/NiO异质结构材料的合成、表征和电化学性能

Ultra-fast non-equilibrium synthesis of cathode materials for Li-ion batteries, Advanced Materials 2022. DOI: 10.1002/adma.202208974