高镍层状正极（NCM, x ≥ 0.8）是下一代动力电池的"香饽饽"，但锂镍混排、晶格氧流失与界面重构让它"高容量短命"，而传统合成动辄十几个小时的高温煅烧又拖累制造成本。天津大学龚俊波、陈明洋团队在 Energy Storage Materials 发表研究成果：提出程序化超快焦耳加热策略，整个热过程（含 800 ℃ 下 120 s 保温）仅在 170 s 内完成——较常规 19.4 h 管式炉路线提速约 410 倍，并借非平衡 Sr 偏析在颗粒表面构筑 2 nm 结晶岩盐界面层，把 Li/Ni 阳离子混排度从约 4.7% 压到 2.0%；优化正极 1 C 循环 500 圈容量保持率高达 94.3%。
01 论文拟解决的关键挑战
Ni-rich 正极要"既高能又长寿"，卡在三重矛盾上：
▸ 本征退化：Li+ 与 Ni2+ 离子半径相近导致 Li/Ni 阳离子混排；深度脱锂引发各向异性晶格应变、表面重构与晶间开裂；高荷电态下晶格氧流失进一步加速电解液氧化与阻抗增长； ▸ 包覆/掺杂两难：常规包覆难以同时覆盖一次/二次颗粒并兼顾界面附着与 Li+ 输运；常规近平衡工艺下，掺杂元素在体相/表面/亚表面的分布难以控制； ▸ 合成之难： prolonged 高温煅烧虽促进成相结晶，却加剧锂挥发与晶粒粗化——而要在极短热处理窗口内同时实现充分锂化、高结晶度、低混排与稳定近表面结构，此前始终缺乏清晰路径。
本文核心思路：利用焦耳加热"快升温 + 快降温"的独特动力学路径，设计Sr 辅助非平衡偏析策略：Sr2+ 大离子半径带来尺寸失配、驱使其向约束更小的近表面再分布，强 Sr–O 相互作用为稳定局部氧配位提供化学基础；整个热过程 170 s 内完成（500 ℃ 30 s + 800 ℃ 120 s），随后快速冷却将非平衡分布"冻结"，使 Sr 富集限于近表面并重构为约 2 nm 结晶岩盐层，而层状主体结构完好保留。
02 图文简介
▍材料端：170 秒走完 19.4 小时的路
图1 是全文的工艺根基：对比管式炉（480 ℃ 5 h + 750 ℃ 12 h，共 19.4 h）与焦耳加热（500 ℃ 30 s + 800 ℃ 120 s，全程 170 s）两条路线——两段温度并非照搬管式炉，而是按各阶段反应功能重新设计（500 ℃ 加速前驱体分解、800 ℃ 为快速锂化与层状结晶提供动力学激活）；时间分辨 XRD 捕捉到"氢氧化物前驱体 → 岩盐中间相 → R-3m 层状相"的完整演变在数十秒内走完，Rietveld 精修进一步给出 Li/Ni 混排度从 4.7%（NCM-TF）降至 2.0%（[email protected]）、I(003)/I(104) 达 1.26 的最优结构。
（图1：合成路线对比、原位物相演变与结构精修）
"两段式程序曲线"正是焦耳加热的看家本领！500 ℃/30 s + 800 ℃/120 s——温度、时长、曲线形状全部可编程，深圳中科精研焦耳加热装置支持任意曲线定制！后台回复"设备"获取选型方案
▍界面端：2 nm 结晶岩盐层是"控"出来的
图2 回答"170 秒里 Sr 去了哪、变成了什么"：HRTEM 显示管式炉路线给出约 5 nm 无序、结晶性差的 Sr 富集层，而焦耳加热路线在保留内部 R-3m 层状晶格的同时，构筑了约 2 nm、FFT 可指标化为 Fm-3m 岩盐结构的结晶重构层，与层状体相形成连续紧密界面；TOF-SIMS 三维重构与深度剖析 XPS 证实 Sr 强烈富集于近表面、呈表面-体相梯度分布——长时间煅烧给了 Sr 充分扩散时间，而"快速升温 + 短时高温 + 快速冷却"则把长程扩散与过度相分离锁死，只允许局部阳离子重排结晶。
（图2：HRTEM近表面结构与Sr深度分布）
▍电子结构端：循环 100 圈，Ni 的"电子指纹"几乎不动
图3 把稳定性追到原子配位层面：Ni K-edge XANES 显示 NCM-TF 的白线位置经 100 圈循环累积偏移 0.518 eV，而 [email protected] 的原始态与 50/100 圈谱图几乎完全重合——Ni 平均电子态可逆性显著更优；FT-EXAFS 与小波变换进一步表明，循环后 NCM-TF 的 Ni–O/Ni–TM 配位峰强度下降、展宽，而 [email protected] 的局部 NiO6 配位与过渡金属骨架保持完好。
（图3：Ni K-edge XANES/EXAFS谱学对比）
▍原位端：H2–H3 相变的"减震器"与产气抑制
图4 用原位手段看充放电过程中的"骨骼变化"：高电压 H2–H3 相变区（003）峰角位移由 NCM-TF 的约 0.72° 降至 [email protected] 的 0.56°，c 轴收缩率 2.92%（较 NCM-TF 低约 22.6%）、H3 阶段单胞体积变化由 6.10% 降至 4.39%；DEMS 同步显示 CO2 释放峰由约 5.5×10−10 降至 3.0×10−10 mol min−1、O2 信号明显减弱——岩盐界面层同时抑制了晶格应变累积与界面副反应。
（图4：原位XRD结构演变与DEMS产气分析）
▍性能端：500 圈 94.3% 的"长跑冠军"
图5 给出电化学总账单：四样品 0.1 C 初始容量相当（213.9–216.8 mAh g−1），而 1 C 长循环拉开差距——500 圈后 NCM-TF、NCM-JH、[email protected]、[email protected] 的保持率分别为 14.5%、29.1%、58.7% 与 94.3%（600 圈时 8.3% vs 85.8%）；苛刻条件下依旧领先：5 C 500 圈 84.0%、45 ℃/5 C 200 圈 84.3%（NCM-TF 仅 67.2%）；循环中电荷转移电阻不升反降（100 圈后 20.43 Ω），Warburg 系数较 NCM-TF 低 70.2%——岩盐界面并未成为动力学瓶颈。
（图5：循环/倍率性能、EIS与Li+扩散动力学）
▍机理端：偏析有热力学、稳定有能量账
图6 从理论上闭合机理：DFT 计算表明 Sr 占据近表面位点使表面能由 7.75 降至 7.06 J m−2（Δγ = 0.69 J m−2）——近表面偏析是热力学偏爱，而短热历史决定其空间受限与结晶状态；氧空位形成能由 1.01 eV 升至 1.21 eV（+0.20 eV），意味着从 Sr 调控表面移除晶格氧要付出更大能量代价；EPR 实验同步印证：[email protected] 信号最弱，对应最低的相对氧空位浓度与最高的晶格氧稳定性。
（图6：DFT表面能/氧空位形成能与EPR谱）
▍长循环端：500 圈后的"体检报告"
图7 用循环后形貌与界面收尾：500 圈后 [email protected] 二次颗粒基本保持球形、裂纹寥寥，NCM-TF 则碎裂严重；循环诱导的岩盐重构在 NCM-TF 中深入约 15 nm 且边界无序，而 [email protected] 仍被限制在约 3 nm——预先构筑的受限岩盐层挡住了退化性重构向内推进；深度剖析 XPS 显示其 CEI 更薄、内层富 LiF 且有机分解产物更少，共同支撑"颗粒完整性—表面相演化—界面化学"的多尺度协同稳定机制。
（图7：循环后形貌/结构对比与稳定机制示意）
03 结论
本研究开发了超快焦耳加热与 Sr 调控相结合的非平衡合成策略：170 s 内完成层状主体结构的快速锂化与结晶，大幅缩短高温处理周期；瞬态加热与扩散受限促进近表面 Sr 富集，在不破坏层状体相的前提下生成 2 nm 结晶岩盐表面层，并将 Li/Ni 阳离子混排度由约 4.7% 降至 2.0%。由此形成的表面-体相架构提供了结构-界面耦合稳定：高度有序的层状主体支撑可逆 Li+ 输运，Sr 富集岩盐表面层抑制氧空位形成、过渡金属迁移与失控表面重构。[email protected] 在 H2–H3 相变中表现出更小的 c 轴收缩与单胞体积变化、更好的 Ni–O 配位环境保持，并显著抑制 O2 与 CO2 释放；1 C 500 圈保持率 94.3%、600 圈 85.8%，5 C/45 ℃ 200 圈保持 84.3%。结果表明超快热处理不仅能缩短热处理时间、降低直接加热能耗，还可诱导非平衡 Sr 偏析、构筑局域保护界面；所建立的"合成-结构-性能"关联及描述符预测框架，为快速制备氧稳定化长寿命 Ni-rich 正极提供了设计指导。
04 论文背后的"隐形功臣"：焦耳加热装置
本篇论文里，焦耳加热不只是把 19.4 h 压缩到 170 s 的"提速工具"，更是新材料结构的"创造者"：正是"快升温 + 短保温 + 快降温"的非平衡热历史，才让 Sr 偏析被限制在近表面、结晶成 2 nm 岩盐保护层——同样的配方放在管式炉里，得到的只是一个 5 nm 无序层。
论文原文引用："The Joule-heating strategy comprises both the short high-temperature treatment and the subsequent rapid cooling, with the entire thermal process completed within 170 s, including a 120 s residence time at 800 °C."此外，论文核算出焦耳加热路线的电能输入约 18.4 kWh kg−1，而常规管式炉工艺按额定功率折算的上限估计约 582 kWh kg−1。
该成果采用的焦耳加热系统与深圳中科精研的核心产品属同类高温快速加热设备，其工艺要素——两段式程序温度曲线、秒级升降温、快速冷却——正是中科精研装置的能力区间。这篇论文给我们的启示有三层：
▸ 曲线维度：两段温度是按反应功能"重新设计"的（480→500 ℃、750→800 ℃），而非照搬管式炉——任意温度曲线与程序控温能力，决定了您能否为每个反应阶段单独"调参"； ▸ 效率维度：热处理时间缩短约 410 倍、电能输入降低约 97%（18.4 vs 约 582 kWh kg−1）——对电池材料这种走量的品类，省下的时间和电都是真金白银； ▸ 结构维度：升温快只完成了一半，降温快才能把非平衡结构"冻"住——毫秒级升降温能力正是捕获 Sr 偏析这类动力学陷阱态的关键。
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05 原文信息
Feng, S.; Guo, S.; Yu, L.; Li, M.; Zhou, L.; Yin, Q.; Peng, J.; Feng, H.; Chen, M.; Gong, J. Ultrafast Joule heating drives non-equilibrium Sr segregation toward a stabilizing rock-salt interface in Ni-rich layered cathodes. Energy Storage Materials2026, 92, 105599. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ensm.2026.105599
