正極材料的合成是決定鋰離子電池的生產效率、成本和性能的重要因素。然而，傳統的合成方法往往加熱速度慢、反應過程多步復雜、反應動力學緩慢、能量高且耗時長。

為此，天津大學陳亞楠研究員、胡文彬教授及許運華教授等人報道了一種通過非平衡反應合成正極材料的超快高溫沖擊（HTS）策略，可同時實現高加熱速率（~10⁴ °C/min）、高煅燒溫度、高冷卻速率（~10³-10⁴ °C/min）及快速反應動力學。其中，典型正極材料LiMn₂O₄的合成過程如下：首先通過典型的燃燒法制備前體，并應用預煅燒工藝在~660 °C下持續~9秒去除前體中的有機成分。然后，將所得產物在~970 °C下煅燒~8秒以生產LiMn₂O₄。與傳統合成方法相比，高溫超導的非平衡特性可在幾秒鐘內一步反應合成正極材料，降低了能耗且節省時間。

此外，非平衡過程往往會引入氧空位并形成小晶粒，這有利于提高電化學性能。最后，作者利用該方法合成了典型的正極材料，包括LiMn₂O₄、LiCoO₂、LiFePO₄和富鋰層狀氧化物/NiO異質結構材料，并展示了優異的電化學性能。

圖1. HTS和傳統工藝中LiMn₂O₄形成過程的第一性原理計算

在未來的工作中，利用HTS技術合成正極材料還有其他幾種潛在的應用：

（1）首先，傳統方法往往需要額外補充鋰以補償鋰的損失，這可能導致難以準確控制正極材料的化學成分。然而，由于HTS過程中合成時間極短，可便于精確控制正極材料的成分；

（2）其次，缺陷工程是提高正極材料電化學性能的有效策略。HTS的非平衡特性可合成具有點缺陷（氧空位）、異質結構和位錯的正極材料，有利于提高電化學性能；

（3）第三，HTS快速合成一系列正極材料的能力，可使研究人員基于人工智能技術快速篩選和鑒定一些新型正極材料。重要的是，這項研究提出的HTS策略不僅為合成高性能正極材料開辟了一條有效途徑，而且還可擴展到鋰離子電池之外。

圖2. 富鋰層狀氧化物/NiO異質結構材料的合成、表征和電化學性能

Ultra-fast non-equilibrium synthesis of cathode materials for Li-ion batteries, Advanced Materials 2022. DOI: 10.1002/adma.202208974