氧化物正极材料是决定锂离子电池能量密度、倍率性能、循环寿命和安全性的核心材料。微量元素的引入能调控正极材料的晶体结构、离子传输和循环稳定性，已成为提升综合性能的重要途径。然而，长期以来，微量元素的选择依赖经验判断与反复试错，缺乏能系统关联微量元素的本征性质、晶格结构和电化学性能的定量描述符与设计准则。

这一问题在无钴高镍正极材料中尤为突出。无钴高镍化设计，虽可降低材料成本、提升比容量，但也会加剧锂离子传输动力学迟滞、局域晶格畸变、氧骨架失稳及电化学失效。基于经验的微量元素筛选方法难以在众多候选元素中快速识别改性组分，制约了无钴高镍正极材料的精准设计与高效开发。因此，建立由关键物理化学描述符驱动的微量元素筛选新方法，是突破高性能氧化物正极材料研发瓶颈的关键。

针对这一挑战，中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心的科研团队在无钴高镍层状氧化物正极材料研究方面取得进展。科研团队提出基于物理化学描述符的多元微量元素设计策略，将微量元素的离子电荷密度和金属—氧键合强度作为关键参数，建立了微量元素本征性质与锂离子传输、结构稳定性之间的内在关联，实现了电池正极材料微量元素设计由经验试错向目标导向型设计的研究范式转变。该成果以“Descriptor-informed multi-component doping enables high-performance Co-free Ni-rich cathodes”为题发表于《自然·合成》（Nature Synthesis）。

基于物理化学描述符设计框架，研究团队提出：引入低电荷密度微量元素，减弱锂离子迁移过程中的静电约束，提升离子传输动力学；同时，利用强金属—氧键元素增强氧亚晶格及过渡金属—氧骨架的结构稳定性，从而构建“离子传输—晶格稳定性”协同调控的正极材料设计思路。基于上述设计思路，研究团队制备了镁、钙、钛和锆多元微量元素协同无钴高镍正极材料（MD-LNMO）。该正极材料实现了高倍率性能与结构稳定性的同步提升：在25 C倍率下，仍可提供130.9 mAh g^-1的比容量；在10 C倍率下，循环350圈后容量保持率达到82.4%；在-20 ℃下，仍能以1 C倍率释放112 mAh g^-1的比容量。软包电池测试验证了该材料的应用潜力。在-20 ℃下，5.74 Ah Li||MD-LNMO软包电池实现了278.6 Wh kg^-1的能量密度，展现出优异的低温储能性能和良好的实用前景。多模态表征结果表明，描述符驱动的多元微量元素设计能同步提升锂离子传输动力学、抑制有害相变、缓解电化学失效，从而显著增强了无钴高镍正极材料的结构稳定性、高倍率性能和低温服役能力。

该研究突破了氧化物正极材料微量元素选择长期依赖经验判断和反复试错的研发模式，建立了物理化学描述符驱动的微量元素设计新范式，为兼具高能量密度、长循环寿命和快速充放电能力的锂离子电池正极材料开发提供了新的方法学，也为其它无机电池材料的精准设计与性能优化提供了重要参考。

该项研究工作在金属所李峰研究员、成会明研究员、王春阳研究员的指导下完成，合作者包括辽宁科技大学化工学院安百钢教授。金属所联合培养博士生关思琦、副研究员于彤为论文共同第一作者。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金面上项目和青年科学基金项目（C类）、辽宁省杰出青年基金、兴辽英才计划等资助。

原文链接https://doi.org/10.1038/s44160-026-01152-y

图1. 基于物理化学描述符的多元微量元素协同设计与无钴高镍正极材料开发

图2. 基于物理化学描述符设计的多元微量元素协同无钴高镍正极材料的电池性能综合评估

图 3. 多元微量元素协同无钴高镍正极材料与商业正极材料长循环后的结构/化学表征