富锂锰基（LRM）正极材料因其超高的比容量（>250 mAh g-1）和能量密度（>900 Wh kg-1），被公认为下一代高能量密度锂离子电池最具潜力的正极材料之一。在传统的LRM体系中，钴元素扮演着至关重要的角色：它不仅能加速氧氧化还原动力学，还能增强电子导电性并抑制阳离子混排。然而，钴资源的稀缺性及其高昂且波动的价格，以及开采过程中的环境破坏，严重制约了LRM电池的规模化应用。因此，开发无钴富锂锰基正极已成为当前二次电池领域的研究热点。值得注意的是，尽管去除钴元素能显著降低成本并提升可持续性，但也带来了动力学缓慢、电压滞后和结构稳定性下降等严峻挑战。
图 1无钴富锂锰基正极的本征机制剖析及综合改性策略综述
针对上述挑战，日本五级片
深圳研究生院日本五级片
肖荫果团队近日在可持续锂离子电池正极材料研究领域取得进展。研究指出，无钴富锂锰基正极材料是兼顾高能量密度与可持续性的重要发展方向。为了深入理解无钴化的影响，团队首先厘清了钴在传统含钴正极中的三方面作用：一是通过配体到金属的电荷转移过程加速氧的氧化还原反应；二是借助3d轨道与氧轨道的有效重叠实现较高的电子导电性；三是利用自旋选择性超交换作用抑制Ni2+向锂层迁移，从而稳定初始结构。基于此，去除钴会引发一系列问题，包括阴离子氧化还原动力学变慢、电子导电性下降以及阳离子混排加剧。其中，最为核心的挑战在于Mn-O键较弱所导致的不可逆氧释放——这不仅会造成初始库仑效率低下，还会引起电压滞后、长期循环中的容量与电压持续衰减以及界面副反应。尽管如此，无钴材料在成本、资源可持续性和循环稳定性方面仍展现出明显优势。
为弥补钴缺失带来的性能损失，研究团队系统总结了从常规改性策略到创新工程方法的研究进展。具体而言，表面包覆、元素掺杂和单晶设计能够钝化界面氧活性、增强结构稳定性并减少晶界处的氧逃逸；浓度梯度结构、核壳结构以及锂化学计量调控等创新策略则进一步实现了多维度协同改性。此外，将表面处理与体相掺杂相结合的集成方法，以及电解液优化策略，均能显著抑制高电压下的氧释放和副反应。展望未来，全固态电池有望从根本上消除产气导致的安全隐患，而机器学习技术将加速高熵掺杂组分的筛选与退化机制的解析，从而推动无钴富锂锰基材料走向实际应用。
相关学术成果以综述论文“Toward Sustainable Batteries: Comprehensive Insights into Cobalt-Free Lithium-Rich Manganese-Based Cathodes”为题，发表于国际材料科学知名期刊《Materials Today》（IF=22）。该综述论文系统剖析了钴元素在传统正极中的多重作用，深入探讨了无钴化面临的挑战与改性策略，并为下一代高性能、低成本、环境友好型电池的设计提供了重要参考。
日本五级片
深圳研究生院日本五级片
肖荫果长聘副教授，南方科技大学王军教授与剑桥大学王睿博士为该论文的共同通讯作者，日本五级片
硕士生姚文清、高肖雨为共同第一作者。该研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、广东省基础与应用基础研究基金、谢家麟基金和广东东莞松山湖大科学装置开放课题的资助。
论文链接：//doi.org/10.1016/j.mattod.2026.103299
