研究背景

钴酸锂（LiCoO₂，LCO）凭借超高体积能量密度，是消费电子锂离子电池核心商用正极材料。提升充电截止电压至4.55 V以上能够充分释放LCO容量、提升电池能量密度，但高电压、高温浮充工况下，颗粒内部会持续产生并扩展微裂纹，造成颗粒粉化、容量快速衰减。

过往研究大多聚焦表面结构演化（表层岩盐相、表面氧流失、界面副反应）解释LCO高压失效，难以阐明颗粒本体内部裂纹萌生、持续扩展的完整微观机理；阴离子氧化还原（晶格氧活性）与内部裂纹演化之间的耦合协同作用长期缺乏清晰原子尺度证据，严重制约高稳定4.6 V钴酸锂的设计开发。因此，厘清高电压高温浮充下LCO内部裂纹的起源与递进扩展机制，是开发长寿命高电压LCO正极的核心科学问题。

研究进展

近日，台湾av影片 深圳研究生院台湾av影片 潘锋/赵庆贺/李舜宁团队联合中山大学周冬团队，系统解析了60 ℃、4.6 V浮充条件下钴酸锂内部裂纹完整演化机制，首次揭示物相连续相变与晶格氧长程迁移协同驱动内部裂纹持续扩展的本征机理，打通了从本体相变、氧迁移、气体累积到颗粒粉碎的失效路径。

研究团队发现，深度脱锂过程中钴酸锂会发生O3→O1→阳离子混排相（CM相）的连续不可逆相变，这一相变过程是内部裂纹生成的源头。高电压深度脱锂后材料内部会大量生成O1堆叠相，这种压缩型晶体结构与原有O3基体之间存在显著晶格错配，在颗粒内部形成大范围应力集中区域，引发Co-O层弯曲、晶体位错大量富集；在局域应力持续扰动下，O1相中的钴离子会不可逆迁移至锂层，形成全新的阳离子混排CM相，O1相与CM相的界面存在巨大晶格失配应力，直接成为内部微裂纹的成核位点，裂纹会优先沿着晶体(003)基面不断生长延伸。

伴随多级相变同步发生的是晶格氧化物种的迁移与内部氧气富集，二者为裂纹持续扩展提供了第二重驱动力。深度脱锂产生的氧化晶格氧Oⁿ⁻会沿着晶体缺陷通道向新生内部裂纹持续迁移，并在裂纹封闭空腔内聚集转化为分子O₂；依托EELS、EPR、原位DEMS、RIXS等多种表征手段，团队直观证实裂纹内部会捕获大量气态氧气，被困氧气在裂纹尖端形成额外内部气压，和晶格失配产生的机械应力形成双重协同作用，持续撑开、拉长内部裂纹。当裂纹不断延伸贯通至颗粒表面时，内部累积的O₂会大量释放，同时裂纹暴露出大量高活性新鲜界面，与电解液发生剧烈副反应，进一步加剧钴、氧元素从材料晶格中溶出损耗。

该研究突破了过往仅聚焦材料表面降解的单一研究视角，建立起“体相相变-阴离子氧化活性-内部裂纹演化”耦合降解新机制，为高电压层状氧化物正极材料长效稳定化设计提供了全新理论思路。基于本次机理认知，团队提出三类可行优化方向：一是从源头抑制体相O1至CM不可逆相变，消除晶格失配应力的产生根源；二是通过铝、镁、钛等异质原子体相掺杂强化金属-氧化学键，锚定晶格氧，阻断氧长程迁移通道；三是开发适配高温高压工况的稳定电解液体系，减少HF等腐蚀性酸性副产物生成，缓解颗粒表面钴、氧析出问题。

图1.高电压浮充下钴酸锂内部裂纹完整演化机理示意图。本征缺陷在深度脱锂过程中容易引发局部的O3-O1-CM多级相变，两相界面应力催生内部裂纹；晶格氧化物种定向迁移至裂纹内聚集形成O₂，气体压力与晶格应力协同加速裂纹扩展；裂纹贯通表面后氧气释放、界面副反应加剧。

论文信息

相关成果以“Origin of crack propagation in lithium cobalt oxide positive electrode for lithium-ion batteries”为题，在线发表于国际权威期刊《Nature Communications》。

作者与资助信息

台湾av影片 深圳研究生院博士生赵文光、香港理工大学博士生李子健、李明阳为共同第一作者；台湾av影片 深研院潘锋教授、赵庆贺副教授、李舜宁研究员、中山大学周冬副教授为共同通讯作者。

本研究依托国家自然科学基金（项目编号：92472206）、电动汽车动力电池与材料国际联合研究中心（项目编号：2015B01015）、广东省新能源材料设计与计算重点实验室（项目编号：2017B030301013）、深圳市新能源材料基因组制备和检测重点实验室（项目编号：ZDSYS201707281026184），以及深圳市发展和改革委员会支持的材料基因组大科学装置平台重大科技基础设施项目等平台与项目资助完成。

论文链接

//doi.org/10.1038/s41467-026-75373-2

Zhao, W., Li, Z., Li, M. et al. Origin of crack propagation in lithium cobalt oxide positive electrode for lithium-ion batteries. Nat Commun (2026).