上海交通大学CEJ：石墨烯限域 NCM523 正极助力比容量提升 16.7%–35.0%/产热降低 20.9%–50.8%！

研究背景

三元正极材料 LiNi_0.5Co_0.2Mn_0.3O₂（NCM523）兼具高能量密度与功率密度，是商业化锂离子电池的核心正极材料。然而，充放电过程中正极发生复杂的结构演化与相变，伴随晶格氧释放、过渡金属溶出与正极-电解液副反应，不仅导致容量衰减，更引发产热积累乃至热失控风险，严重制约高比能电池的安全应用。

当前多数三元改性研究多聚焦电化学性能优化，对充放电全过程真实产热行为的直接定量观测仍然困难；商用微量热设备难以适配扣式电池动态电化学工况，很难建立 “材料结构‑界面副反应‑实时产热” 的直接关联。如何在提升电化学性能的同时精准解析并抑制产热，是当前锂离子电池研究领域亟待解决的关键科学问题。

成果简介

针对上述瓶颈，研究人员采用电沉积法将单层还原氧化石墨烯（rGO）均匀、紧密地包覆于 NCM523 颗粒表面，制备了 rGO 含量为 0.5%、1%、2% 的 NCM523/rGO 复合材料。另一方面依托自主搭建的原位微量热测试平台，可在电化学充放电工况下实时捕捉正极材料动态产热信号，联合 COMSOL 电‑热耦合模拟，系统研究了石墨烯限域效应对 NCM523 在不同倍率充放电过程中结构演化、Li⁺ 扩散及副反应的影响。

结果表明，NCM523/rGO-1在0.2–5C 倍率下比容量较纯 NCM523 提升 16.7%–35.0%（如 5C 下由 71.4 mAh/g 提升至 96.4 mAh/g），同时产热功率降低 20.9%–50.8%，实现了电化学性能与热安全的同步增强。

相关研究成果以“Effects of graphene confinement on structural evolution, Li⁺ diffusion, and side reaction of LiNi_0.5Co_0.2Mn_0.3O₂ during different electrochemical processes”发表在《Chemical Engineering Journal》。上海交通大学2023级硕士生何汶俐为论文第一作者，上海交通大学集成电路学院沈文卓(shenwenzhuo@sjtu.edu.cn)、郭守武(swguo@sjtu.edu.cn)为论文共同通讯作者。

主要亮点

1. 调控相变路径，提升结构可逆性。HRTEM 与非原位 XRD 结合 Rietveld 精修表明，rGO 包覆使 NCM523 在 100% SOC 下发生更充分、更均匀的体相相变（1C 下呈现尖晶石+岩盐混合相），且未引入额外 Li/Ni 混排（4.05% vs 3.95%），促进晶格应力均匀释放，显著提升循环结构稳定性。
2. 激活 Mn 氧化还原，抑制价态畸变。XPS 定量分析显示，0.2C 充电后 NCM523/rGO-1 的 Mn³⁺ 增量高达 45.8%（纯 NCM523 仅 3.8%），脱锂深度由约 60% 提升至约 70%；1C 下 Ni²⁺ 价态波动仅 2.9%（纯 NCM523 为 16.8%），5C 下 Mn 价态几乎无偏移。rGO 导电网络活化体相 Mn 位点，分担 Ni/Co 氧化还原负担，缓解脱锂过程中的不可逆晶格畸变。
3. 加速 Li⁺ 扩散，降低界面阻抗。恒电位阶跃与 EIS 测试证实，rGO 包覆显著提高 Li⁺ 扩散系数 D，界面反应阻抗 Re 在 0.2/1/5C 下较纯 NCM523 分别降低 68.35%、26.17%、66.87%；CV 峰间距 ΔEp 明显减小，极化得到有效抑制。
4. 抑制晶格氧释放，大幅降低产热。原位微量热与 COMSOL 电-热耦合模拟表明，0.2C 下产热功率由 1.162 W/mol 降至 0.8494 W/mol； 5C 下产热功率由 161.0 W/mol 降至 84.76 W/mol；极化热、欧姆热与熵变热占比下降，反应焓变热占比上升，说明电化学反应更加充分、副反应明显减少。

作用机制

结合 XPS、HRTEM、EIS 与理论模拟，该工作提出石墨烯限域效应的三重机制：

• 化学限域：rGO 的 sp²碳网络与 NCM523 晶格氧形成 π 轨道耦合，抑制晶格氧释放，减少 CEI 副反应；
• 界面屏障：rGO 包覆层隔离电解液与活性材料，抑制有害的正极-电解液副反应，减少活性物质与电解液损耗；
• 亲锂动力学：rGO 表面含氧官能团（羧基、羰基、环氧基）作为亲锂位点，构筑二维 Li⁺ 快速传输通道，降低界面阻抗与欧姆热。

图 2. a) 0.2 C、1 C、5 C 充电过程中，NCM523 与 NCM523/rGO‑1 受热力学、动力学控制的产热功率对比分析及其相变路径；b) NCM523 与 NCM523/rGO‑1 在 0.2 C、1 C、5 C 下的比容量与产热功率；c) rGO 限域效应同步调控 NCM523 电化学性能与热性能的内在机理示意图。

总结与展望

该工作证明石墨烯限域可同步优化 NCM523 的热力学与动力学行为，实现高电压三元正极能量密度与热安全性的协同提升，为“电化学-热”联合调控策略在高比能锂电池中的应用提供了新思路，也为石墨烯材料在锂电正极中的工程化应用提供了实验依据。

论文信息

Wenli He, Wenzhuo Shen*, Jiali Zhang, Min Zhong, Shouwu Guo*. Effects of Graphene Confinement on Structural Evolution, Li+ Diffusion, and Side Reaction of LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2 During Different Electrochemical Processes. Chemical Engineering Journal（Manuscript No. CEJ-D-26-28353， DOI：10.1016/j.cej.2026.181373）.