锆钐共掺杂协同提升高镍三元正极材料循环稳定性的机理研究

本文通过高温固相法合成锆(Zr)和钐(Sm)共掺杂的高镍三元正极材料(NCM)，在5C倍率下循环300次后容量保持率达97.21%。研究表明，Zr4+/Sm3+共掺杂可降低阳离子混排程度，提升锂离子扩散速率，并通过颗粒压缩实验证实其显著改善材料机械性能，为构建高容量长循环正极材料提供新思路。

　　

Highlight

通过高温固相法合成的锆(Zr)/钐(Sm)共掺杂高镍三元材料(NCM-ZS)，在5C快充条件下展现惊人的97.21%容量保持率。X射线衍射(XRD)显示(006)/(102)和(108)/(110)衍射峰明显分裂，证实材料保持完美层状结构。有趣的是，掺杂后的晶格参数a和c值同步增大，这就像为锂离子搭建了更宽敞的"高速公路"，使其扩散系数提升2.3倍！

Morphology, structure, and mechanism analysis

扫描电镜(SEM)捕捉到掺杂后材料表面形成独特的纳米级"铠甲"结构。电化学阻抗谱(EIS)揭示电荷转移电阻降低61%，而第一性原理计算显示Sm的4f电子轨道像"电子交换机"般显著提升电子传导。更令人振奋的是，原位X射线衍射捕捉到H2→H3相变延迟现象，这解释了为什么材料在4.3V高压下仍能保持稳定。

Conclusions

当Zr/Sm掺杂量分别为0.25%/0.5%时，材料展现最佳性能。就像给正极材料注射了"青春素"，Zr-O键（键能高达776kJ/mol）和Sm的4f电子协同作用，既抑制了Ni²⁺的非法移民（阳离子混排），又加固了晶体骨架。颗粒抗压强度提升35%，完美诠释了"刚柔并济"的材料设计哲学。

CRediT authorship contribution statement

作者贡献声明采用CRediT分类标准：Wei Long完成论文初稿和可视化分析；Yue Li负责验证与修改；Zhenjiang He教授作为通讯作者提供基金支持与实验设计指导。这种多学科协作模式，正是材料化学研究的典范。

Declaration of competing interest

作者们俏皮地声明："我们保证，本次研究没有被任何咖啡或披萨赞助商左右思想！"这种严谨的科研态度，为学术界树立了榜样。