富锂锰基氧化物（LRMO）因其高比容量和成本效益，被认为是下一代锂离子电池的理想正极候选材料。通过设计无钴LRMO可进一步降低成本，但其缓慢的动力学特性导致容量和倍率性能远逊于含钴材料。
在此，北京大学潘锋、李彪，深圳大学胡江涛，南方科技大学曾林等人证实无钴LRMO（Li₁₋ₓNi₀.₂Mn₀.₆O₂）的动力学限制源于高电压（>4.5 V vs. Li⁺/Li）下过渡金属（TM）迁移引发的结构无序和不可逆氧氧化还原过程。为此，作者通过表面晶格中引入Na⁺/F⁻梯度掺杂策略，成功缓解了上述问题。
该设计不仅将放电电压提升约0.2 V（1 C倍率下），还显著改善了循环稳定性（25°C下1 C倍率400次循环容量保持率95.1%；45°C下0.5 C倍率300次循环保持率80.9%）和倍率性能（5 C下容量≈150 mAh g⁻¹）。理论计算与表征表明，Na⁺/F⁻梯度掺杂通过抑制TM迁移、稳定晶格氧、扩展Li层间距并提升电子电导率，有效释放了无钴LRMO的动力学限制，为高容量正极设计提供了新思路。
图1. 电池性能
总之，该工作揭示了Li₁₋ₓNi₀.₂Mn₀.₆O₂动力学受限的根源——高荷电状态（SOC）下的结构转变（图5f）。Na⁺/F⁻共掺杂通过增强O 2p轨道键合、抑制TM迁移，显著减少了高SOC下的相变，从而优化了界面动力学。此外，Na⁺扩展Li层间距与F⁻提升电子电导率的协同作用，使材料展现出卓越的倍率性能和循环稳定性。
基于此策略制备的无钴LRMO在石墨全电池测试中表现优异：25°C下1 C倍率400次循环容量保持率95.1%，45°C下0.5 C倍率300次循环保持率80.9%。因此，该工作为无钴LRMO在电网储能和电动汽车等领域的应用提供了可行路径。
图2. 机制分析
Unleashing the Kinetic Limitation of Co‐Free Li‐Rich Mn‐Based Cathodes via Ionic/Electronic Dual‐Regulation, Advanced Materials 2025 DOI: 10.1002/adma.202504642
潘锋，北京大学讲席教授，国家特聘专家，中国化学会会士，国家重点研发计划首席科学家，北京大学深圳研究生院副院长，深圳研究生院新材料学院创院院长。聚焦新能源与新材料产业关键问题，基于AI和自主发展的图论结构化学和材料基因组学，建立了新材料创制体系；建设了物质结构表征科学装置与方法及其解析系统；揭示了新能源材料的构效关系，在锂电池正极材料等方面取得突破性进展并实现产业转化。任《结构化学》执行主编、《Journal of Materials Informatics》副主编、《化学进展》副主编，国际电化学能源科学学会（IAOEES）委员会委员、国际电动车锂电池协会（IALB）副主席。国家级电动汽车动力电池与材料国际联合研究中心主任、广东省新能源材料设计与计算重点实验室主任。在Nature、Nature Energy、Nature Nanotechnology等期刊发表论文420余篇，被引3万余次。