港科大陈国华/刘强团队《Nature Nanotechnology》新策略：记忆弹性聚合物晶界包覆破解开裂难题

近日，香港科技大学陈国华与刘强团队联合中科院物理所俞海龙、北京航空航天大学刘翔等在锂离子电池高镍正极材料界面改性领域取得突破性进展。团队从人体关节软骨的可逆形变中汲取灵感，提出了一种全新的“形状记忆聚合物（SMP）纳米涂层”策略，成功破解了高镍正极材料晶界动态应力集中导致的开裂难题。

相关研究成果以“Dynamic delocalization of stress in brittle battery positive electrode active materials by shape-memory polymer nanocoating”为题，

重磅发表于国际顶级学术期刊 Nature Nanotechnology。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41565-026-02224-y

【工作亮点速览】

• 攻克核心痛点：突破传统材料改性框架，设计形状记忆聚合物，利用柔性聚合物形变过程中的“应力离域”效应，有效抑制了充放电过程中的晶间裂纹。

• 首创包覆工艺：团队在前期成果（Nature Energy 2019）基础上跨越升级，创新性开发出适用于电池粉末的原位引发化学气相沉积法（iCVD），实现晶界级形状记忆聚合物纳米包覆。

• 极致循环寿命：该技术成功将弹性离子导通聚合物精准“打入”高镍NCM90颗粒内部，实现了1000圈长循环后容量保持率高达91.6%的稳定性能！

【研究背景】

脆性断裂广泛存在于自然与工程系统中，其核心在于应力集中可使局部应力激增10至100倍，降低断裂阈值。多晶材料的晶界是应力集中高发区，晶间开裂因此成为主导失效模式，这在电池材料（如Si、锂过渡金属氧化物、固态电解质）中尤为突出。富镍NCM正极材料在充放电及制造过程中易产生晶粒间微裂纹，且随镍含量（≥90%）和截止电位（>4.3 V）升高而加剧。其根源在于锂脱嵌引起的各向异性晶格应变，但现有研究多忽视该应力的动态性和局域性。NCM的硬度和模量（80–200 GPa）接近玻璃、混凝土等脆性材料，表明其承受应变能力有限。循环中锂离子浓度梯度引发的应力，促使人们开发晶界包覆层。然而，这些涂层常受制于刚度与形变能力之间的权衡关系，导致其难以在长循环中为动态机械应力提供稳定且可逆的保护。

【研究工作简介】

受人体关节软骨通过可逆形变消散应力的生物机制启发，该研究提出以形状记忆聚合物（SMP）纳米涂层模拟软骨的应力离域功能，并将其应用于脆性NCM正极材料的晶界处。选用交联聚(丙烯酸丁酯-co-四乙烯基四甲基环四硅氧烷)（p(BA-V4D4)）作为涂层材料，其线性链段提供形变能力，交联网络赋予强度和形状记忆功能。借助引发式化学气相沉积（iCVD）技术，该涂层被均匀包覆于Ni90颗粒，厚度约14 nm。实验结果表明，涂层在锂金属扣式电池中展现出优异的循环稳定性：在400 mA g⁻¹下循环1000次后容量保持率为91.6%。该策略还成功拓展至多种正极体系，均显著提升了循环稳定性，证实了其良好的普适性。

图1 仿生原理和计思路示意图

图2 iCVD方法制备的超薄涂层可以包覆在NCM表面甚至深入晶粒间隙，通过应力离域提升Ni90晶界的抗开裂性能。

图表3 SMP纳米涂层对电池性能的提升（部分）

图4 原位同步辐射XRD结果表明，SMP涂层表现出连续的衍射峰轮廓演化，反映出锂离子脱出过程更为均匀，同时有效抑制了晶胞体积的剧烈变化。

【多方强强联合】
该项顶刊成果是多所顶尖科研机构精诚合作的结晶。研究在香港理工大学和香港城市大学的支持下顺利开展，并得到了北京航空航天大学刘翔教授团队、中科院物理所黄学杰研究员及俞海龙副研究员团队，以及厦门大学左文华教授的深度合作与支持。文章第一作者为香港科技大学博士后研究员刘雨桐，刘雨桐于香港理工大学取得博士学位。

图5 通过3D TXM-XANES化学成像和TXM-CT断层扫描，说明SMP纳米涂层在颗粒层面有效抑制了Ni90正极材料在长期循环后的化学不均匀性和物理微裂纹。

【结论与展望】

该研究从生物系统中汲取智慧，用"刚柔并济"的思维尝试解决高镍正极材料的微裂纹难题。通过仿生形状记忆聚合物纳米涂层，实现了脆性正极材料在动态电化学过程中的应力离域和结构稳定，为长寿命、高比能锂离子电池的发展提供了全新思路。

当然，从实验室验证到产业化落地仍有距离。未来需要在规模化iCVD涂层工艺、大面积电池架构适配等方面进行进一步优化。

本文来自“材料科学与工程”公众号，感谢论文作者团队支持。

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