easyXAFS助力高压/固态电池双突破：用户成果登载Mater. Today等高水平期刊！

发布日期：2025-09-05

在新能源汽车、储能等领域对高能量密度电池需求持续攀升的背景下，高压锂离子电池与全固态锂离子电池（ASSLIBs）成为行业研发焦点。然而，两者均面临核心技术瓶颈：高压电池中，高电压（如 4.6V）环境会导致富镍正极（如 NCM811）晶格氧不稳定、颗粒开裂及界面副反应加剧，严重削弱循环稳定性；全固态电池则受限于富镍正极与固态电解质（如 LATP）的界面不相容性，高温共烧结引发的 Li⁺损耗与氧释放共同导致电化学性能劣化，阻碍工业化进程。

传统研究手段难以精准解析电池材料在循环、充放电等动态过程中的价态演变、配位结构变化及界面反应机制，制约了性能优化策略的突破。X 射线吸收精细结构（XAFS）依赖同步辐射光源，受限于光束线资源紧张、实验周期长等问题，难以满足实验室常态化研究需求。美国 easyXAFS 公司推出的台式 X 射线吸收精细结构谱仪，突破了同步辐射光源的限制，可以在常规实验室环境中实现XAFS 和 XES 的高精度测量，为材料微观结构与性能的关联研究提供了便捷、高效的解决方案。

本文系统汇总了中科院、北京科技大学等科研团队借助 easyXAFS 台式 X 射线吸收精细结构谱仪取得的重要研究成果，相关成果已分别发表于国际权威期刊《Mater. Today》与《Adv. Funct. Mater.》。

台式X射线吸收精细结构谱仪-XAFS/XES

1.  高压电池：分散Eu₂O₃缓冲相，稳定4.6 V石墨||NCM811 电池

高电压富镍正极（如NCM811）因高能量密度与成本效益，成为动力锂离子电池的理想候选材料，但高电压（如4.6V）下应力的增加导致晶格氧不稳定、颗粒开裂、界面副反应加剧，严重制约其循环稳定性与实际应用。传统元素掺杂、表面工程等策略难以有效缓解应力问题。中科院研究人员提出引入分散Eu₂O₃缓冲相的设计思路，利用 Eu³⁺（离子半径95 pm）与过渡金属离子（Ni³⁺/Ni²⁺等，半径62-72 pm）的显著尺寸差异，在高温烧结时使Eu₂O₃均匀分散于NCM811 内部。该缓冲相凭借更高的体积模量、断裂韧性与泊松比（DFT 计算验证），可“吸收” Li⁺脱出/嵌入过程中产生的应力，抑制应力积累与传递，从而稳定晶格结构与颗粒完整性。作者利用easyXAFS台式X射线吸收精细结构谱仪对电极材料改性及循环前后的价态及配位变化进行了深入解析，揭示了稳定性提升的本质。

图1. 循环前后及不同充电状态下的Ni-XANES谱图

作者对循环前后的 B-NCM811（原始NCM811）和 E-NCM811（含 Eu₂O₃缓冲相的NCM811）进行 Ni K-edge XANES 测试，结果显示 B-NCM811 循环200次后 Ni-K 吸收边向高能端偏移，表明 Li⁺再嵌入受阻，可能因结构退化（如表面重构）导致 Ni 价态轻微升高；而 E-NCM811 循环后吸收边与原始状态基本一致，证明 Eu₂O₃缓冲相缓解应力后，Li⁺脱出/嵌入过程更可逆。不同充电状态下的 Ni K-edge XANES 测试显示，B-NCM811 在充电至4.5V 后，吸收边半高对应的能量（E₀.₅）显著下降，这是由于发生了还原耦合现象（Ni⁴⁺-O²⁻因电子从 O 转移至 Ni 而还原为 Ni³⁺-O⁻）；E-NCM811 的 E₀.₅仅轻微下降，说明缓冲相抑制了不可逆的氧化还原反应，减少了还原耦合效应的发生。

图2. 循环前后的Ni-EXAFS谱图

作者进一步对循环200次后的 B-NCM811 和 E-NCM811 进行 Ni 的傅里叶变换 EXAFS 拟合分析，重点关注 Ni-O、Ni-过渡金属（TM）及 Ni-Li 的配位结构演变。B-NCM811 循环后 Ni-O 平均配位数（CN）减少0.6，Ni-TM 与 Ni-Li 配位数也出现明显下降，表明长期循环中其局部配位环境严重破坏，结构完整性受损。E-NCM811 循环后 Ni-O 配位数仅减少0.3，Ni-TM 与 Ni-Li 配位数变化幅度显著小于 B-NCM811，证明 Eu₂O₃缓冲相缓解应力后，NCM811 的局部原子配位结构更稳定，有效抑制了因应力导致的晶格重构与原子排列紊乱。

参考文献：A dispersed buffer phase enables mitigated stress toward stable 4.6 V Graphite||NCM811 batteries, Mater. Today, doi.org/10.1016/j.mattod.2025.07.012

2.  固态电池：原位锂补偿和氧锚定，实现超长循环性能

高能量密度全固态锂离子电池（ASSLIBs）的发展受限于富镍层状氧化物（LiNi₀.₈Co₀.₁Mn₀.₁O₂，NCM811）与固态电解质（Li₁.₃Al₀.₃Ti₁.₇(PO₄)₃，LATP）间的界面不相容性。高温共烧结过程中会引发 Li⁺损耗，后续伴随的氧释放会协同导致电池电化学性能劣化，成为 ASSLIBs 工业化的关键瓶颈。针对此问题，北京科技大学研究人员提出原位锂补偿（LiOH）与氧锚定调控（La₄NiLiO₈，LNLO）协同工程策略，通过热化学配位作用解决界面问题。在该协同体系中，LiOH 能动态将 Li⁺反向扩散至 NCM 晶格以补充 Li⁺损耗，LNLO 则通过其氧空位捕获NCM811 表面的高活性氧，同时抑制不可逆的阴离子氧化还原过程，二者共同作用有效缓解了NCM811 的有害相转变，最终实现复合正极结构的稳定。

作者利用easyXAFS台式X射线吸收精细结构谱仪测试了X射线吸收近边结构（XANES）光谱，以探究Ni不同价态的比例。如下图所示，在NCM811@5wt.%LNLO-LATP+10 wt.% LiOH和NCM811LATP+10 wt.% LiOH样品中，边前峰几乎重合，证明Ni的价态无明显差异。这是因为表面/界面上的价态变化几乎被来自NCM811正极的体相镍信号所掩盖，这证实了副反应主要发生在表面/界面区域。

图3. Ni-XANES测试及电池循环稳定性测试

在稳定性测试中，仅含10 wt.% LiOH的复合正极容量衰减迅速，在0.3 C下仅经过18次循环后，其SOH就下降到80%。相比之下，5 wt.% LNLO+10 wt.% LiOH复合正极的循环寿命则延长到了169次循环。这种提高主要归因于锂氧快离子导体缓冲层LNLO，它有效地调节了NCM811表面晶格氧阴离子氧化还原活性的可逆性，从而抑制了界面电化学副反应，改善了锂离子在界面上的传输动力学。该项工作利用协同工程策略，显著提升NCM811-LATP 复合正极的热化学稳定性与超长循环性能，为高能量密度全固态电池的界面优化提供了普适性范式，有望推动400 Wh kg⁻¹级ASSLIBs 的实用化。

参考文献：Co-Engineering of In Situ Lithium Compensation and Oxygen-Anchoring Modulation Enables Thermochemically Stabilized NCM811-LATP Composite Cathodes for Ultra-Long Cyclability，Adv. Funct. Mater. , 2025, e11681