說明
2025年廈門大學彭東亮教授和謝慶水教授團隊與浙江大學和阿貢國家實驗室盧軍教授團隊合作，在《ACS Nano》上發表了題為「調控表面陰離子氧化還原化學以實現高穩定性富鋰正極材料，並降低氧損失 (“Modulating Surface Anionic Redox Chemistry toward Highly Stable Li-Rich Cathodes with Negligible Oxygen Loss.”)」的研究論文。該研究透過雙還原氣體界面共處理策略，在富鋰正極材料的二次顆粒表面和內部一次顆粒表面構建了非晶態過渡金屬硫酸鹽/亞硫酸鹽保護層、原位尖晶石過渡層以及可控缺陷結構，從而解決了富鋰氧化物（LLO）正極材料的核心失效模式——不可逆氧釋放、首圈庫侖效率低、嚴重的界面副反應以及長期/可逆氧釋放容量/可逆氧負載、低位容量/嚴重的界面衰減效率。使用 IEST GVM2200 原位氣體析出監測儀追蹤初始循環期間軟包電池的體積變化，提供了關鍵的原位定量證據，將工程化的表面化學與電池中氣體析出受到抑制以及富鋰正極界面穩定性得到改善聯繫起來。
 

圖 1. 表面陰離子氧化還原調控可實現高度穩定、低氧釋放的富鋰正極。

分析儀器
本研究使用的IEST儀器－IEST原位電池氣體體積分析儀（GVM2200）

為什麼富鋰正極需要原位氣體析出監測？
富鋰層狀氧化物正極材料具有超越傳統商用正極材料的容量優勢，使其成為下一代高能量密度鋰離子電池的重要候選材料。然而，其高容量主要來自於陰離子（氧）氧化還原反應——這個過程通常伴隨著不可逆的晶格氧釋放。特別是在初始充放電過程中，過度氧化會引發氧釋放、電解液氧化分解、CEI膜生長不均勻以及結構坍塌——最終導致首圈庫侖效率降低、容量衰減和電壓下降。

GVM2200 的關鍵作用：將氣體演化行為從“結果觀察”轉變為“過程量化”
本研究採用雙還原氣體界面共處理方法，在富鋰正極顆粒上建構了一種兼具保護和調控功能的複合表面結構。一方面，此結構減少了電極與電解液的直接接觸，抑制了副反應的發生；另一方面，可逆的SO₃²⁻/SO₄²⁻氧化還原對參與電化學反應，減輕了過度氧化引起的氧中心八面體畸變和結構坍塌。

差分電化學質譜（DEMS）結果（圖2a）表明，表面改性的AS-LLO正極在初始循環過程中O₂釋放量顯著降低，展現出更高的氧氧化還原可逆性和界面穩定性。此外，我們使用 IEST GVM2200 記錄了 LLO 和 AS-LLO 軟包電池在初始循環過程中的即時體積變化曲線（圖 2b）：AS-LLO 軟包電池在初始循環過程中的質量歸一化體積變化顯著小於未改性的 LLO 電池——這表明電池初始階段的氣體析出得到了有效抑制。

與單獨觀察氣體釋放或循環性能相比，GVM2200 能更直接、更直觀地反映富鋰正極氧釋放和界面副反應對電池體積變化的影響。這項結果將材料層面的「晶格氧穩定性提升」轉化為電池層面的「體積變化降低」——為評估富鋰正極的安全性和實際應用價值提供了更直接的證據。

圖 2. 表面調變抑制富鋰正極的氧釋放和電池體積變化。

使用IEST GVM2200在富鋰正極
GVM2200 原位電池氣體體積分析儀（圖 3）基於阿基米德浮力原理，利用高精度感測器即時監測測試過程中電池體積的變化，從而揭示各種工作條件下材料、電解質、電極界面和全電池層面的氣體析出行為。

圖 3. IEST GVM2200 原位氣體析出量監測儀。

GVM2200 廣泛適用於鋰離子電池和新興電池化學體系中氣體析出的研究，包括：

• 正極材料初始活化過程中的氧釋放和體積變化分析。
• 高壓正極材料的界面副反應和產氣評估。
• 不同表面塗層、摻雜或結構改質策略的產氣抑制效果比較評估。
• 電解液配方、添加劑和成膜系統對電池產氣行為的影響分析。
• 高溫儲存、過充電、循環老化和其他應力條件下的原位體積變化監測。
• 材料級、軟包電池級和工程驗證階段的安全評估。

AS-LLO 與 Pristine LLO之分析結果整理
表 1. 基於 DEMS 和 IEST GVM2200 資料的原始 LLO 和表面改質 AS-LLO 富鋰正極的比較總結。

結論
本研究採用雙還原氣體界面共處理策略，有效調控了富鋰正極材料表面陰離子氧化還原反應，顯著降低了初始循環過程中的不可逆氧釋放，並大幅提升了材料的循環穩定性。 IEST GVM2200原位氣體析出量監測儀在本研究中發揮了重要作用：透過即時連續定量監測初始循環過程中軟包電池的體積變化，GVM2200為驗證AS-LLO正極材料的低產氣特性和界面穩定性提升提供了關鍵證據。

從“氧釋放機制分析”到“電池級體積變化驗證”，GVM2200為高能量密度正極材料的氣體析出研究、安全評估和工程開發提供了強大的原位分析工具。


資料來源：IEST元能科技
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