近日，Nature发表题为“Fast formation to reinforce lithium-rich cathodes”的研究论文。该研究围绕锂离子电池富锂层状氧化物正极材料的快速化成机制开展系统研究，发现与传统低倍率化成相比，提高首圈充电倍率不仅有望缩短制造时间、降低能耗，而且能够通过保留残余锂离子增强材料结构稳定性，从而同步提升可逆容量和循环寿命。论文通讯作者为美国西北大学李坚涛和厦门大学谢清水、彭栋梁;中国科学院高能物理研究所樊龙龙、袁清习等作为论文共同作者参与研究。
该项工作获得高能同步辐射光源(HEPS)ID07工程材料线站、ID30 X射线显微成像线站以及北京同步辐射装置(BSRF)1W1B吸收谱学线站的联合支撑。作为同属中国科学院高能物理研究所的大科学装置，HEPS与BSRF在本研究中形成了从局域原子结构、过渡金属电子结构到微纳尺度三维化学相分布的多模态表征链条，为揭示快速化成强化富锂正极材料的物理化学机制提供了关键实验证据。
在该合作中，以樊龙龙为代表的线站科学家团队围绕HEPS实验方案对接、关键同步辐射测试实施与多模态数据结果解析提供了重要技术支撑。相关工作体现了HEPS线站科学家深度参与前沿科学问题研究、服务能源材料重大需求的能力，也展示了HEPS与BSRF协同支撑高水平原创研究的综合优势。
化成(formation)是锂离子电池制造中的关键工序，传统工艺通常采用低倍率充放电循环以构建稳定的电极—电解液界面，但该过程耗时长、能耗高，是电池规模化制造中影响效率和成本的重要环节。传统认识通常强调化成对界面稳定性的作用，而这项研究进一步指出：对于富锂层状氧化物正极而言，化成过程并非简单的制造预处理步骤，而会在首圈充电阶段决定材料的初始结构演化路径，并持续影响后续循环稳定性。研究表明，将首圈充电倍率由0.2 C提高至2 C后，由于电化学极化作用，材料在截止电压下保留更多残余锂离子。这些残余锂离子能够通过自钉扎效应抑制有害晶格变形，强化离子存储框架，使富锂正极材料的可逆容量提高约20%，循环寿命延长超过36%。
HEPS-ID07工程材料线站通过原子对分布函数(PDF)测试，揭示了富锂正极在不同化成条件下的局域结构演变。PDF结果显示，随充电深入，TM-O键长与TM-TM配位峰发生变化，0.75 荷电状态之后TM-O八面体畸变加剧。相较于0.2 C传统化成，2 C快速化成保留了更多锂离子，减少了高电压下的PDF峰展宽与层间混排，维持了结构稳定性。这表明快速化成通过抑制过度脱锂带来的局域无序化，提升了材料抗畸变能力，确立了“残余锂—结构稳定—性能提升”的因果关联。
HEPS-ID30 X射线显微成像线站利用透射X射线显微镜结合X射线吸收近边结构(XANES)三维成像，结合线站团队自主开发的重建软件-MOCUPY，将研究推进至微纳尺度空间分布。成像结果显示，0.2 C化成导致颗粒内部均匀且严重的结构退化;而2 C快速化成虽引入空间异质性，但保留了更多残余锂离子，减轻了整体无序化。证据表明，首圈化成诱导的结构特征具有“记忆”效应，并延续至后续循环，直接决定了材料的长期稳定性。
BSRF-1W1B吸收谱学线站提供了X射线吸收谱(XAS)实验支持，通过Ni/Mn的K边分析追踪了过渡金属的价态与配位演变。结果表明，进入高电压平台后，低倍率化成更易诱发不可逆的结构重构与金属迁移。XAS与PDF数据相互印证：富锂正极衰退的关键不仅在于氧氧化，更在于首圈深度脱锂后能否维持稳定的局域配位框架。BSRF的稳定表征为此机理提供了关键谱学证据。
HEPS是世界上设计亮度最高的第四代同步辐射光源，自2025年12月启动试运行，目前正在开展第四轮试运行。本研究展示了HEPS与BSRF在同一科学问题上的互补优势：HEPS-ID07提供高能X射线局域结构信息，HEPS-ID30提供微纳尺度三维化学态成像，BSRF 1W1B提供成熟可靠的吸收谱学证据。三类同步辐射实验方法相互补充、相互校验，共同支撑了从原子尺度到颗粒尺度的机制闭环。随着HEPS持续完善用户服务能力，HEPS与BSRF的协同布局将为能源材料、先进制造和工程材料等领域的高水平研究提供更强大的大科学装置平台支撑。
图1 富锂锰基正极材料在不同化成条件下的晶格行为演变。
图2富锂锰基正极材料在不同化成条件下的化学相演变情况。
图3富锂锰基正极材料在不同状态下的Ni和Mn近边吸收谱变化。
