厦门大学—美国西北大学联合团队在《自然（Nature）》发表富锂层状氧化物正极快速化成研究，依托 HEPS 与 BSRF 多模态同步辐射表征，发现 2 C 高倍率化成可通过保留残余锂的“自钉扎”效应抑制晶格畸变，使可逆容量提升约 20%、循环寿命延长超过 36%。
导读
富锂层状氧化物正极因具有高比容量，被视为下一代高能量密度锂离子电池的重要候选，但其首圈化成工艺长期沿用 0.2 C 低倍率、长周期的“慢工出细活”路线—目的是建立稳定电极—电解质界面，却带来制造耗时长、能耗高、碳排放大的产业痛点，且低倍率深度脱锂反而诱发结构退化。2026年6月17日，《自然（Nature）》以“Fast formation to reinforce lithium-rich cathodes”为题刊发了厦门大学谢清水团队与美国西北大学李坚涛团队的联合研究成果，通讯作者为李坚涛、谢清水、彭栋梁，第一作者为厦门大学博士生范孟健，中国科学院高能物理研究所樊龙龙、袁清习等为共同作者。该研究依托高能同步辐射光源（HEPS）ID07 工程材料线站、ID30 X 射线显微成像线站与北京同步辐射装置（BSRF）1W1B 吸收谱学线站构成的“多模态表征链条”，从局域原子结构、过渡金属电子结构到微纳尺度三维化学相分布逐层解析，发现将首圈充电倍率由 0.2 C 提升至 2 C 后，电化学极化使材料在截止电压下保留更多残余锂离子，这些残余锂通过“自钉扎”效应抑制有害晶格变形、强化离子存储框架，从而在缩短化成时间的同时同步提升容量与寿命，为动力电池低成本高效率量产提供了新思路。
Part 1
为什么富锂正极的“化成”
是一道产业卡点
富锂层状氧化物正极（xLi2MnO3·(1-x)LiMO2 类固溶体）凭借超过 250 mAh/g 的实测比容量，被业内寄予厚望。但它的“脾气”也出名地难伺候—首圈充电必须升到 4.6~4.8 V 高位，激活 Li2MnO3组分中的“多余锂”参与电荷补偿，才能把比容量释放出来。这一步就是行业里说的“化成”。
传统工艺的习惯做法是 0.2 C 低倍率慢慢充，理由是怕充太快破坏界面，希望“养”出一层稳定的 CEI（正极电解质界面）膜。可这套慢工有两个绕不开的代价：一是单条产线化成工序动辄十几个小时甚至更长，产能被锁死；二是为维持低倍率长时间通电，产线能耗和碳排放都压不下来。更要命的是，低倍率下材料被“充透”、深度脱锂，反而会掏空晶格里的锂骨架，让本来锂就多的富锂材料变成“缺锂脆弱基体”—过渡金属迁移、晶格滑移、岩盐相生成，一连串结构坍塌跟着来，容量衰减反而更快。
这就出现了一个看似两难的局面：化成要慢，可慢了既费时又伤材料；化成要快，又怕界面失控。厦门大学—美国西北大学联合团队的工作，就是把这道难题重新拆了一遍。
Part 2
技术揭秘：残余锂“自钉扎”
是如何发现的
这项工作的核心创新不在于材料合成，而在于把“首圈化成倍率”作为一个独立变量拎出来，并用多尺度同步辐射表征把倍率→结构→性能的链条拆到原子尺度。
HEPS + BSRF 的多模态“联合问诊”
论文里真正撑起机制论证的，是高能所这边 HEPS与 BSRF 两条装置的协同。具体来说：
HEPS-ID07（工程材料线站）：开展原位 / 工况下的 X 射线衍射与精细结构解析，盯紧晶胞参数随电压 / 倍率的变化；
HEPS-ID30（X 射线显微成像线站）：进行微纳尺度的三维化学相分布成像，揭示锂、锰、镍、氧的空间异质性；
BSRF-1W1B（吸收谱学线站）：开展过渡金属的X 射线吸收近边结构（XANES）与扩展边振荡（EXAFS）测试，锁定 Mn/Ni 的价态与配位环境变化。
三条线站分别覆盖晶体结构、三维化学成像与电子结构三个层级，拼起来正好是从“原子占位”到“微米相分布”的全链条——这也是为什么这套机制能够讲到“自钉扎”这种精细程度：没有多模态同步辐射，单靠实验室电镜和常规 XRD 很难把“残余锂留在哪、怎么钉住晶格”这件事说清。
0.2 C 与 2 C 的两条结构演化路径
团队把首圈充电倍率设成两组对照：传统 0.2 C 低倍率 vs 新工艺 2 C 高倍率，截止电压相同。差别出现在“充完第一圈之后晶格里还剩多少锂”：
该机制的关键一步叫“自钉扎”（self-pinning）效应——这是论文作者原文用的表述。意思是：那些按传统看法“应该被充掉”的残余锂离子，其实留在晶格里反而充当了“结构锚点”，钉住层状框架、抑制 O 原子层滑移和阳离子混排，让锂离子的进出通道在后续长循环中不至于塌掉。
性能账算下来：
可逆容量相对传统 0.2 C 化成提升约 20%；
80% 容量保持所对应的循环寿命延长超过 36%；
产业侧折算：生产端能耗降低约 20%、碳排放降低约 30%（数据源自论文正文 / 补充材料，实际值可能随产线工况浮动）。
容量、寿命、能耗、碳排放四个指标同时往好的方向走，在电池工艺里属于比较少见的多赢。
Part 3
产业关联：
从富锂正极往外能推多远
上述机制层面的发现，自然引出了对产业应用的思考。论文讨论部分把这套“快速化成 + 残余锂调控”的思路定位为对“化成必须低倍率”这一行业惯例的挑战。往产业端推，至少有几条可预期的路径：
富锂锰基动力电池量产线：化成工序是产线节拍的瓶颈之一，2C 快速化成如果能把单工序时间压下来，配合容量 / 寿命双升，对高镍 + 富锂混用体系有直接的throughput 价值；
其他层状氧化物正极的外推：论文提到方法“可推广至其他电极体系”，意味着高镍 NCM、NCA 乃至钠电层状氧化物都有可能复用“倍率→残余锂 / 钠→自钉扎”这套逻辑，但需各自重做机制验证；
低碳电池制造：能耗与碳排放的降低若叠至 GWh 级产线上，对车企的 Scope 3 减碳目标具有积极意义，但具体数值需经中试验证。
需要指出的是，论文本身仅针对富锂层状氧化物这一体系完成了长循环验证，“可推广至其他电极体系”是作者在讨论部分提出的展望，尚需后续研究证实。
Part 4
总结与价值定位
回到论文自身的贡献界定：这项工作首次把“首圈化成倍率—残余锂留存—自钉扎强化—循环稳定性”这条因果链在富锂层状氧化物上闭环，并且是靠 HEPS + BSRF 多模态同步辐射把每一环的原子尺度证据补齐的。它的学科意义不在材料新配方，而在给“化成”这道老工艺提供了一个被定量验证的新旋钮——倍率不只是“快慢”问题，还是结构调控手段。
对国内同步辐射装置而言，这篇 Nature 论文也是一个信号：HEPS 刚进入开放运行阶段，ID07、ID30 这些工程材料与成像线站已经能撑起顶刊级别的能源材料机制研究；BSRF 作为“老将”仍在吸收谱这条经典线上持续升级发力，两代装置在同一条 Nature 研究成果里协同呈现，是怀柔科学城“大装置集群支撑前沿研究”比较典型的样本。
科研团队信息
本研究由美国西北大学李坚涛、厦门大学谢清水、彭栋梁担任通讯作者，第一作者为厦门大学博士生范孟健，中国科学院高能物理研究所樊龙龙、袁清习等为论文共同作者。同步辐射表征部分由高能所多学科中心线站团队支撑，其中 HEPS-ID07 工程材料线站、HEPS-ID30 X 射线显微成像线站与 BSRF-1W1B 吸收谱学线站构成多模态表征链条，樊龙龙作为线站科学家代表参与了HEPS 实验方案对接、关键同步辐射测试实施与多模态数据解析。
平台关联：HEPS（高能同步辐射光源）与 BSRF（北京同步辐射装置）均隶属中国科学院高能物理研究所，是怀柔综合性国家科学中心核心的大科学装置集群组成部分。本工作是 HEPS 线站科学家深度参与前沿能源材料问题、服务“双碳”重大需求的案例之一，也体现了HEPS 与 BSRF 两代装置协同支撑高水平原创研究的综合优势。
来源：怀柔科学城城市客厅新媒体中心 张耀
编辑：柯欣
审核：王汝霖
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