在全球可再生能源与电动汽车产业加速推进的背景下，市场对锂离子电池（LIB）的需求正快速增长‌。LIB的性能与稳定性主要取决于‌正极材料，该组件占据电池总成本的‌40%–45%。‌

在尖端电池技术中，高镍正极材料凭借其‌超高能量密度与‌显著成本效益脱颖而出。然而，镍含量的增加也会加剧副反应，严重损害界面稳健性和机械完整性，这些因素正制约其大规模应用。

图片来源： 釜山国立大学

一种有前景的解决方案是采用全浓度梯度（FCG）或核壳结构设计。在此类结构中，镍浓度从每个正极颗粒的核心到表面逐渐降低，并在表面被钴和锰等更稳定的元素取代。这种梯度增强了表面稳定性和机械强度。

遗憾的是，当前的制备方法提供的可调性有限。一旦平均成分确定，梯度的斜率与曲率也随之受限，制约了FCG正极的设计灵活性。

据外媒报道，由韩国釜山国立大学（Pusan National University）化学系和未来地球研究所（the Institute for Future Earth）的Hyun Deog Yoo副教授领导的国际研究团队提出了一种新型数学框架，可实现完全灵活的FCG设计。

Yoo博士解释道：“传统方法在调整某一参数时会影响其他参数，而我们的方法能对平均成分、斜率及曲率等多个特征参数实现独立且精准的调控。”该团队的研究成果已发表于《ACS能源快报》（ACS Energy Letters）期刊。

传统FCG正极通过共沉淀法合成，涉及两个金属前体溶液槽。第一个溶液槽富含镍（Ni），将溶液直接送入反应器。

第二槽溶液含钴（Co）和锰（Mn），逐步汇入第一槽溶液以降低镍浓度。传统工艺中，第二槽溶液以‌恒速输送‌，导致特定平均成分下仅能实现‌单一预设梯度。

研究团队通过将第二槽流速表达为‌时序数学函数突破此限制。该创新技术实现了平均成分、梯度斜率及曲率的独立调控，仅用双槽即可生成‌近乎无限的浓度梯度范围。

研究团队将该技术与‌自动化反应器系统‌集成，成功合成五种具有精准梯度调控的FCG Ni0.8Co0.1Mn0.1(OH)2前驱体，并通过二维/三维元素分布表征实现梯度验证。

“为此，我们汇集了杰出的国际研究团队，与伊利诺伊大学芝加哥分校（University of Illinois Chicago）、阿贡国家实验室（Argonne National Laboratory），以及韩国和美国多所顶尖研究机构展开深度协作。”Yoo博士表示。“我的实验室重点攻关FCG正极材料的设计与合成，而‌二维/三维成像分析‌主要由Jordi Cabana教授与Robert F. Klie教授团队主力承担。能参与此次卓有成效的协作，我们深感荣幸。”

最终制备的高镍正极材料，相较传统正极展现出‌显著提升的机械与结构稳定性。该材料不仅具备‌增强的锂离子传输以提升电化学性能，更最大程度地减少了‌颗粒裂纹，这正是实现长循环寿命的关键特性。

尤为值得关注的是，经过优化设计的FCG正极材料在300次循环后仍保持93.6%的初始容量，这是同类成分FCG正极材料中，迄今报道的最高循环稳定性纪录。

“我们的方案有望‌革新锂离子电池储能体系的安全性与性能指标。”Yoo博士表示。“这将推动消费电子产品与医疗器械安全性提升、电动汽车可靠性增强、电网稳定性优化，并促进可再生能源技术更广泛应用。”