付志月等 科学材料站 2026年6月30日09:10 安徽
文 章 信 息
晶内键合相工程助力废旧低镍正极材料直接升级为高性能富镍单晶材料
第一作者：付志月
通讯作者：木士春*，曾炜豪*
单位：武汉理工大学
研 究 背 景
随着新能源车与储能市场的快速扩张，退役锂离子电池数量持续激增，使废旧三元正极（NCM）的高值闭环回收成为行业刚需。与冶金回收技术相比，再生回收技术表现出了明显较大的效率、经济性和环保性优势。然而，现有再生回收技术大多仅能实现失效正极材料的简单修复再生。而面向高能量密度动力电池和高价值正极材料的发展需求，将废旧低镍多晶材料（如NCM111等）直接提质升级为具有更高开发利用价值的高镍单晶材料（如NCM811）仍面临巨大挑战。这是因为失效低镍正极内部充斥大量裂纹与孔洞，层状晶体骨架严重坍塌；传统熔融盐再生工艺仅能完成材料单晶化转化，无法同步精准调控颗粒形貌和微观晶格结构；常规晶界属力学薄弱区域，在充放电过程中易发生应变，极易诱发颗粒产生裂纹甚至颗粒整体粉化；裂纹会打通电解液渗透通道，新鲜晶粒表面持续发生副反应，并堆积绝缘钝化产物，堵塞锂离子传输通道，最终引发容量快速衰减。
缺陷工程能够较好地调控失效NCM再生过程中的晶体生长与微观结构演化。已有研究表明，晶粒内共格界面可大幅改善高镍正极结构稳定性，但在再生体系下晶格键合相（IBP）的生成机理、晶粒形貌调控规律及其对电化学性能的增效机制尚不明确。针对上述关键科学问题，本文提出硼（B）诱导晶格键合相（IBP）缺陷工程策略，即通过共晶熔融盐一步法将废旧多晶NCM111重构为兼具优异结构稳定性与快速锂离子动力学的单晶NCM811，为废旧三元正极材料高值化升级再生提供了全新思路。
文 章 简 介
近日，武汉理工大学木士春教授，曾炜豪研究员团队在Nano Energy发表废旧三元正极直接升级再生重要研究成果。团队以失效多晶LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2（D-NCM）为前驱体，采用共晶熔融盐再生体系，通过引入硼（B）元素诱导生成晶格键合相（IBP），定向调控单晶生长路径，同步优化单晶形貌、晶粒内微观结构与层状有序度。
IBP作为跨原子层共格过渡界面，在相邻层状畴之间形成连续晶格桥接，既能抑制充放电应力引发的颗粒开裂，又能打通锂离子传输通道。所得U-B-NCM正极材料展现出远超普通再生单晶样品的可逆容量、倍率性能与长循环稳定性；而且，循环后材料结构完整性、界面副产物积累程度均得到显著改善。该工作阐明了IBP在废正极升级再生中的核心调控作用，建立“缺陷诱导-形貌重构-性能提升”一体化再生策略。
图1. 从失效的多晶NCM111到通过B诱导的IBP直接升级的单晶高镍NCM811的形态演变及与之相关的结构重构的示意图。
本 文 要 点
要点一：废旧低镍三元正极直接再生存在多重结构与性能瓶颈
退役多晶LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2原料在长期循环后内部遍布孔洞和微裂纹，并出现层状骨架坍塌、Li/Ni阳离子高度混排等缺陷。传统熔融盐再生工艺虽能将其转化为单晶材料，但仅生成常规晶界结构。在充放电过程中易产生应力集中进而造成颗粒开裂粉化，同时再生产物表面会残留大量不可逆岩盐杂质相，阻碍锂离子传导并持续积累界面副产物。而且，现有再生方案仍难以同步调控颗粒形貌、晶粒内部微观结构与层状有序度。因此，如何高效完成从废旧低镍材料向高性能高镍单晶正极的升级成为重要挑战。
要点二：硼掺杂可原位构筑独特晶格键合相IBP并优化单晶微观结构
在共晶熔融盐再生体系中引入B2O3能够定向调控晶体生长路径，原位生成横跨七层原子层的共格晶格键合相IBP。不同于常规晶界与孪晶界，该IBP结构属于两种不同取向层状畴之间的低能共格过渡界面，能够在晶粒内部形成连完整的晶格连接；此外，B元素均匀掺杂在材料晶格内部，无表面偏析，有效降低了Li/Ni阳离子混排程度，削弱表面岩盐杂相生成，同时钝化了单晶颗粒尖锐棱角，有效调控颗粒尺寸（平均~2.3μm）。晶格键合相IBP的形成实现了再生材料微观形貌结构与晶体有序度的同步优化。
图2 U-NCM （非B掺杂再生）与 U-B-NCM 微观结构对比：B掺杂原位构筑IBP，并实现元素均匀分布
要点三：晶格键合相IBP从力学与界面双维度长效稳定电极结构
晶格键合相IBP能够消除晶粒内部应力集中薄弱位点，缓冲充放电过程中的体积应变，从而显著抑制裂纹萌生与扩展。150次循环后，材料颗粒仍保持完整，无明显粉化粗化。同时，IBP优化表层晶格配位环境，缓解正极与电解液之间的副反应，减少LiF、碳酸盐等绝缘副产物堆积，大幅降低循环后的界面电荷转移阻抗。此外，研究亦发现，B掺杂含量存在火山型变化规律，1wt%添加量为最优工艺，掺杂不足无法形成完整IBP，而过量B则会扭曲层状晶格。这些均会加剧材料循环衰减。
图3 长循环后 U-NCM 与 U-B-NCM 形貌、晶体物相及表面化学状态对比：证明IBP有效抑制颗粒开裂、减少界面副产物堆积
要点四：IBP构建连续锂离子传输通道，全面提升电化学综合性能
晶格键合相IBP可为锂离子提供低迁移势垒的连续传输通路。GITT测试证实，含IBP样品充放电全过程均具有更高锂扩散系数；CV测试显示，其氧化还原峰电位差显著缩小，电化学反应可逆性大幅提升。在0.1C下，最优B掺杂样品的初始放电容量可达192.8 mAh g-1，1C循环300周容量保持率83.0%，优于普通再生单晶与商用NCM811；同时，在5C高倍率条件下仍可释放140.2 mAh g-1 的可逆容量，具备优异快充应用潜力。
图4 不同再生样品电化学性能对比：证实IBP结构优化锂离子传输动力学，提升容量、倍率与循环稳定性
文 章 链 接
Intralattice bonded phase engineering enables direct upcycling of spent low-Ni cathodes into high-performance Ni-rich single-crystal cathodes
https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2026.112148
通 讯 作 者 简 介
木士春教授简介：武汉理工大学首席教授，博士生导师，国家级高层次人才。长期致力于电催化材料及锂电池关键材料研发。以第一作者或通讯作者在Nat. Commun.、Adv. Mater.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Energy Environ. Sci.、Nano Lett.等国内外期刊上发表350余篇高质量学术论文。H因子110（WOS)；申请国家发明专利110余件，授权87件；获国家技术发明奖二等奖1项。
曾炜豪研究员简介：目前为武汉理工大学材料复合新技术全国重点实验室的博士后研究人员，主要研究方向为锂离子电池材料的合理设计及其回收应用方面。
第 一 作 者 简 介
付志月，武汉理工大学木士春教授研究团队成员，硕士研究生，主要研究方向为废旧NCM三元正极材料的修复再生。
课 题 组 介 绍
本团队依托武汉理工大学材料复合新技术全国重点实验室，由武汉理工首席教授、国家级高层次人才木士春教授牵头组建，长期聚焦电化学储能与电催化两大核心方向，围绕燃料电池与电解水制氢催化材料、锂离子电池料开展基础研究与产业化应用研究。
木士春研究团队主页：http://shichunmu.polymer.cn/