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近日，南京航空航天大学花椒直播 申来法教授团队在Science Advances期刊发表了题为“Machine learning–assisted discovery of outside-in structure Ni-rich cathode with high performance”的研究论文，论文第一作者为博士研究生毛贵洪，通讯作者为申来法教授。本论文提出一种机器学习辅助的掺杂离子筛选策略，研发了表面Sn⁴⁺富集、体相Al³⁺均匀掺杂的“由外而内”结构新型高镍正极，实现了高比容量兼具高稳定长循环，该工作为高镍正极材料的结构设计提供了一种新范式。

电动航空是全球航空业低碳转型、低空经济规模化发展的核心赛道，适配航空极端工况的动力电池，是电动飞机、eVTOL 等航空器商业化落地的核心底层支撑。相较车用电池，航空动力电池对能量密度、高倍率充放电、本质安全与长循环寿命有着极致协同的严苛要求，现有体系难以匹配其核心需求。高镍层状正极（Ni 含量≥90%）凭借高比容量、低成本的突出优势，是突破航空动力电池能量密度瓶颈、满足航空器长航时续航需求的核心材料，也是当前电动航空锂电体系研发的核心方向。然而，随着镍含量提升，材料在循环过程中会出现严重的Li/Ni混排、H2–H3相变诱导的各向异性应变、界面重构及氧释放等问题，导致容量和电压快速衰减。传统掺杂或包覆策略多依赖经验筛选，效率低且机理不清。因此，如何通过高效设计实现结构与界面稳定的协同优化，是当前高镍正极发展的关键挑战。

为高效筛选掺杂剂，团队构建候选离子数据库，采用随机森林(RF)模型结合SHAP分析，以容量保持率和Li/Ni混排度为标准预测，结果表明，Al³⁺与Sn⁴⁺可以达到Co³⁺的效果。DFT计算进一步证实，Al倾向体相、Sn倾向表面，二者的非磁性可削弱Ni–O–Ni超交换作用，抑制Li/Ni混排。

XANES分析表明，NCAS中Ni氧化态有所升高，局域结构有序性增强。XPS深度剖析显示Sn在表面富集，Al分布相对均匀。STEM-HAADF图像揭示NCAS表面存在约1 nm的阳离子混合层，体相保持有序层状结构。EDS线扫进一步证实Sn在晶界处明显聚集，Al均匀分布于体相，验证了Al³⁺与Sn⁴⁺的竞争性掺杂机制。

电化学测试表明，NCAS正极在2.8–4.3 V、1 C下循环200次容量保持率达96.9%，远优于NC的58.0%（100次循环）；4.5 V高电压下仍保持 88.8%，高温存储后续循环保持95.5%。其与Si@C负极组装的1.5 Ah软包电池，0.33 C循环1000次容量保持 81.6%，库仑效率超99.9%。GITT和DRT分析表明，NCAS具有更快的Li⁺扩散动力学和更稳定的界面；DFT计算证实，Al/Sn掺杂降低了Li⁺迁移能垒，从而优化了倍率性能。

通过原位XRD追踪正极在首次充放电的结构演变。结果显示，NC充电时(003)峰最大位移 1.73°，c轴晶格收缩率7.72%，高电压区(4.3–4.5 V)出现明显H2-H3两相共存，发生剧烈各向异性晶格应变与不可逆相变。而NCAS的(003)峰位移仅1.14°，c轴收缩率降至4.39%，H2-H3相变无明显两相共存，呈连续平滑的峰位移动，相转变更可逆。综上，Al³⁺和Sn⁴⁺共掺杂有效抑制了高镍正极深度脱锂时的有害晶格畸变，显著增强体相结构稳定性。

通过原位DEMS、XPS成像及TOF-SIMS分析发现，Al/Sn共掺杂有效抑制了正极界面副反应。NCAS的CO₂释放量显著低于NC，且起始释放电位更高。循环后的NCAS表面F元素分布均匀且含量低，而NC表面F信号强且分布不均，TOF-SIMS显示NC中F^–贯穿体相，NCAS中F^–仅限表面。这表明Sn富集的表面层促进了薄而均匀的CEI膜形成，有效缓解了HF侵蚀和电解液分解，增强了界面稳定性。

通过FIB-SEM和HAADF-STEM分析发现，NC在循环后颗粒内部出现严重裂纹，表面完全岩盐相化，体相阳离子混排严重，应变分布极不均匀。而NCAS仅在表面形成约2–3 nm的阳离子混合层（与循环前保持一致），体相仍保持有序层状结构，应变分布均匀，裂纹轻微。表明Al³⁺/Sn⁴⁺共掺杂有效抑制了各向异性晶格应变积累和微裂纹产生，显著增强了高镍正极在长循环过程中的结构稳定性。

本研究提出了一种基于机器学习辅助的高镍正极材料设计策略，通过筛选引入Al³⁺和Sn⁴⁺，并利用竞争性机制构建“outside-in”结构，实现了界面与体相的协同稳定。Al³⁺均匀掺杂体相，而Sn⁴⁺在表面富集形成保护层，有效抑制Li/Ni混排、缓解H2–H3相变引起的各向异性应变，并显著提升界面稳定性。非磁性离子通过削弱超交换作用降低磁挫败，从根本上抑制结构无序化。最终实现200圈96.9%的容量保持率以及1000圈长循环，为高镍低钴正极设计提供了新的理论指导与技术路径。

相关论文信息：//www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adz8130