在鋰離子電池正極材料的研究過程中，傳統實驗方法長期依賴“試錯法”的研發模式，面臨著周期長、成本高、效率低等突出挑戰。隨著新能源產業對電池性能要求的不斷提升，這種單一依賴實驗手段的方式已難以滿足高性能正極材料精準設計的需求。尤其在涉及多個性能指標的協同優化時，各目標之間往往存在相互制約，使得優化過程難度倍增，研究具有較大的盲目性，嚴重制約了新型鋰電正極材料的高效研發。

針對上述問題，中國科學院上海硅酸鹽研究所劉建軍研究員團隊將實驗研究、計算模擬與人工智能技術深度融合，構建了高效協同的智能研發體系。該體系顯著提升了材料設計的精準性與研發效率。依托該體系，團隊已設計出多種新型鋰離子電池正極材料，并在多項關鍵性能指標上實現突破，相關成果已發表在Advanced Materials、Materials Today材料領域高水平期刊上。

實現富鋰層狀正極材料容量與電壓穩定性的協同優化一直是材料設計領域的一大挑戰。其性能退化主要源于嚴重的晶格應變、不可逆的氧釋放以及過渡金屬的遷移等問題，多個因素相互制約，導致難以建立有效的構效關系。針對這一難題，研究團隊綜合運用密度泛函理論計算、機器學習和實驗驗證等多種手段，圍繞復雜的多元素摻雜體系，構建了涵蓋電化學活性、晶格應變、氧穩定性與過渡金屬遷移勢壘的多層級篩選策略，并借助AI進行關聯性挖掘，首次發現替代元素耦合多面體畸變參數D+σ²是影響循環過程中結構穩定性的關鍵特征。基于預測結果開發的富鋰層狀正極材料表現出卓越的電化學性能：300次循環后容量保持率高達95.8%，電壓衰減率低至每循環0.02%。該研究不僅獲得了高性能富鋰正極材料，也提出了一種普適性的材料理性設計方法，為多目標協同優化提供了全新思路，顯著提高研發效率。相關成果以“Modulating Coupled Polyhedral Distortion in Li-Rich Cathodes for Synergistically Inhibiting Capacity and Voltage Decay”為題，發表在材料領域期刊Advanced Materials上。上海硅酸鹽所博士研究生崔琴文為該論文第一作者，劉建軍研究員為通訊作者。

鈷金屬因其在調節電荷分布和穩定晶體結構方面的重要作用，長期被視為高鎳正極材料實現優異電化學性能不可或缺的元素。然而，鈷資源稀缺、價格高昂，推動業界加快對低鈷甚至無鈷正極材料的研發。研究發現，無鈷高鎳材料在充放電過程中容易出現局部電荷分布不均，導致晶格收縮與拉伸應變，從而誘發結構相變并逐步積累劣化效應，成為制約其性能穩定性的關鍵難題。通過第一性原理計算與原位表征技術的協同應用，研究團隊發現Fe離子具有自適應電荷補償（charge compensation）效應，基于此設計并合成了新型二元高鎳正極材料LiNi_0.85Fe_0.15O₂。該材料有效抑制了高鎳體系中常見的結構相變問題，展現出218 mAh g?1的高初始容量，并徹底避免了無鈷正極中常見的Li?/Ni2?反位缺陷，為無鈷高鎳正極材料的理性設計提供了新思路。相關成果以題為“Adaptively-generated multivalent active sites suppress destructive phase transition in high-nickel layered oxide cathodes”發表在材料領域期刊Materials Today上。上海硅酸鹽所博士研究生李毅為該論文第一作者，廈門大學楊勇教授、上海硅酸鹽所周鉦洋副研究員和劉建軍研究員為共同通訊作者。

以上相關研究得到了國家重點研發、自然科學基金委重點項目的資助與支持。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1002/adma.202505616

https://doi.org/10.1016/j.mattod.2025.05.016

富鋰正極材料多元素摻雜體系的多層級篩選策略

富鋰正極材料LNMO-MANF的電化學性能

基于取代元素耦合多面體畸變參數的機器學習模型

LNO和LNF8515的晶體結構變化和電荷分布

LNO和LNF8515的電化學性能

LNO和LNF8515脫鋰過程的理論計算