Energist 能源学人 2026年7月5日 13:26 河南
【研究背景】
高镍三元正极材料的性能优势使其成为目前锂离子动力电池正极材料的主流发展方向之一。此外，考虑到锂电池退役大潮即将到来，如果兼顾能量密度和循环稳定性能，将失效低镍多晶正极材料直接升级为高镍单晶具有十分迫切的现实意义。然而，要实现失效低镍多晶向高镍单晶的跨代升级，其核心阻碍在于失效正极颗粒内部裂纹与层状结构退化导致再生过程难以同步实现组分提镍补锂、晶体重构与力学强化。更关键的是，再生形成的常规晶界在循环中因各向异性应变导致结构率先遭到破坏，诱发电解液浸润与副产物沉积，加速容量衰减。晶内共格界面虽可提升结构韧性，但其在再生体系下的成核演化及形貌-结构调控规律尚属空白。据此，本文提出硼（B）诱导晶格键合相（IBP）策略，通过共晶熔融盐一步构建高镍单晶NCM811。该策略兼顾了结构稳定性与离子传导性，为废旧三元正极高值再生提供新范式。
【研究介绍】
近日，武汉理工大学木士春教授团队针对熔融盐再生过程中NCM常规晶界易引发颗粒粉化、直接再生样品能量密度偏低等核心瓶颈，提出B诱导晶格键合相缺陷工程再生策略。通过在共晶熔融盐体系中引入氧化硼（B2O3），可定向调控晶体生长路径，原位生成横跨七层原子层的低能共格晶格键合相IBP。该特殊界面作为两种不同取向层状畴之间的连续晶格桥接结构，有别于传统晶界与孪晶界，能够同步钝化单晶颗粒棱角并降低Li/Ni阳离子混排程度。IBP可从三重维度同步优化再生材料性能：消除晶粒内部应力集中位点，缓冲充放电体积应变，抑制界面绝缘副产物堆积，以及构建低势垒连续锂离子传输通道。最优的1 wt% B掺杂再生U-B-NCM样品在0.1C下初始放电容量可高达192.8 mAh g-1，1C循环300周容量保持率83.0%，5C高倍率下可逆容量仍达140.2 mAh g-1。其综合性能优于通常方法再生的单晶NCM811（U-NCM）与商用NCM811（C-NCM）。本工作结合多种表征与测试方法系统阐明了IBP多尺度增效机理，从而推动废旧三元再生技术由简单修复向高镍提质升级跨越。该文章发表在国际权威期刊Nano Energy上。付志月为本文第一作者。
【核心部分】
失效三元正极熔融盐再生是极具产业化潜力的低碳回收路线。对比湿法、火法冶金，其无需深度金属浸出分离，工艺流程短、能源消耗更低。但传统熔融盐单晶再生仅能构建普通晶界，晶格失配带来固有应力缺陷是循环过程颗粒开裂、性能衰减的核心诱因。
常规晶界、孪晶界均存在明显晶格失配，充放电体积变化下应力极易在此处富集，催生贯穿颗粒内外的微裂纹。而相比之下，晶内共格界面可有效分散应力。已有研究表明，该类界面能够大幅提升高镍正极循环稳定性，但相关调控手段尚未应用于废旧低镍三元的提质再生。因此，如何在严重劣化的失效正极材料中原位可控构筑共格界面，仍是亟待突破的难题。
B元素是适配熔融盐再生体系的理想改性掺杂剂：高温熔融阶段B可参与晶格重构，调控晶粒生长速率，钝化颗粒尖锐棱角；同时，B均匀嵌入层状晶格内部，不仅不会引入电化学惰性杂相，还能有效缓解Li/Ni阳离子无序占位，同步实现形貌优化与晶体有序度提升。基于该理论基础，本工作设计B掺杂熔融盐再生体系，尝试原位构筑跨畴共格晶格键合相IBP，从根源上解决了传统再生晶界力学失效、离子传导受阻两大短板。
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图1. 熔融盐提质再生路线下，常规单晶与晶格键合相IBP单晶结构演化示意图
第一步：微米尺度形貌与晶体本征缺陷调控表征
本部分以失效NCM（D-NCM）、无B再生NCM（U-NCM）、B掺杂再生NCM（U-B-NCM）三组样品为对照，依托SEM、XRD精修、XPS多维度表征，验证B掺杂对再生材料微观形貌、晶体有序度、表面化学态的调控效果。废旧前驱体材料D-NCM颗粒破碎，内部孔洞与裂纹密布，晶体层状骨架发生严重坍塌。XRD精修结果显示其Li/Ni阳离子混排程度较高；U-NCM虽实现单晶化重构，但颗粒棱角尖锐；XPS表征证实U-NCM材料表面富集大量不可逆岩盐杂相。B元素改性后，U-B-NCM单晶棱角明显钝化，晶粒尺寸均匀稳定（平均粒径约2.3μm）。结合XRD精修与XPS测试结果可知，B掺杂可大幅降低Li/Ni反位缺陷，同时有效抑制表面岩盐相的生成。
图2. 再生前后样品形貌、晶体结构与表面价态比较
第二步：原子尺度解析IBP共格界面微观结构特征
为从原子层面揭示B诱导特殊界面的结构本质，采用TEM、HAADF-STEM、SAED、EDS对U-NCM与U-B-NCM进行比较研究，旨在区分IBP与传统晶界、孪晶界的差异，阐明IBP生长结构与B元素分布规律。
结果显示，U-B-NCM内部可观测到横跨七层原子层的晶格键合相IBP。该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完整连续的晶格连接；SAED衍射出现两套独立斑点，直接证明两相畴共存的共格界面特征；EDS证实B无表面偏析，均匀分布于晶粒晶格内部，是稳定构筑IBP的关键。
图3. U-NCM与U-B-NCM微观结构比较
第三步：电化学性能测试分析
借助GITT、CV、EIS、倍率及长循环测试，验证IBP连续晶格网络对锂离子传输动力学的优化作用，并进一步对比各样品的容量、倍率、循环稳定性等性能差异。
GITT测试证明U-B-NCM全程具备更高锂离子扩散系数；CV曲线氧化还原峰电位差显著缩小，电化学反应可逆性大幅提升；电化学性能测试结果显示，最优U-B-NCM兼具高初始容量（0.1C, 192.8mAh g-1）、优异快充性能（5C, 140.2mAh g-1）与超长循环稳定性（1C下循环300圈83.0%容量保持率），综合表现优于U-NCM与C-NCM，充分验证IBP对电化学性能的全面提升作用。
图4. 不同再生样品电化学性能比较
第四步：长效稳定机制分析
通过不同B掺杂比例梯度样品筛选最优工艺，并与长循环后U-NCM与U-B-NCM的颗粒形貌、晶体物相、表面副产物进行比较分析，阐明IBP力学缓冲与界面钝化双重稳定作用。
梯度实验证实B掺杂含量存在火山型变化规律，其中以1 wt% B添加量为最优。B掺杂不足无法形成完整连续IBP网络，过量B掺杂则会扭曲层状晶格，二者均会加剧循环衰减。由长循环测试表征可知，无IBP的U-NCM颗粒出现大面积开裂粉化，表面富集大量LiF和碳酸盐绝缘副产物；U-B-NCM依托IBP分散内部应力，循环后颗粒完整度高，界面钝化产物堆积量显著降低，界面电荷转移阻抗大幅下降。
图5. 长循环后U-NCM与U-B-NCM形貌、晶体物相及表面化学状态比较
【最终结论】
从晶体重构来看，共晶熔融盐再生体系引入B2O3，可原位生成横跨七层原子层的跨畴共格晶格键合相IBP，一步实现废旧多晶NCM111向形貌规整、低阳离子混排的单晶NCM811的提质重构，同步完成颗粒形貌与晶体有序度的双优化。
在长效稳定机制方面，IBP属于低能共格过渡界面，能够消除晶粒内部应力集中区域，缓冲充放电体积应变，抑制贯通性微裂纹生成；同时，IBP的存在能够优化表层晶格配位环境，缓解正极与电解液界面副反应，减少绝缘钝化产物堆积，实现力学、界面双维度长效稳定。
从电化学性能与产业化价值维度分析，IBP可构建连续低势垒锂离子传输通路，加快离子扩散速率，降低氧化还原极化，让再生材料同时具备高放电容量、优异快充能力与超长循环寿命。提出的硼（B）诱导晶格键合相（IBP）-熔融盐再生策略，工艺流程简短，低碳环保，而且还打破了传统再生仅修复不提质的瓶颈，为退役三元正极高值回收利用提供全新理论与工艺优化思路。
【文献详情】
Zhiyue Fu, Yaqin Liu, Yuxin Liu, Juan Wang, Yu Wu, Weihao Zeng*, Yu Li, Shichun Mu*. 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