作为电动汽车与便携式电子设备的核心动力源，锂离子电池能量密度与功率密度的提升始终是研究的关键方向。其中，正极材料NMC811因其卓越的容量特性，被业界普遍视为构建下一代高能量密度电池的理想候选者。然而，该材料在面临高速充放电等高功率应用场景时，其固有的反应动力学迟缓问题便成为主要制约瓶颈，亟待深入研究与突破。

2025年11月20日，方岱宁院士、焦树强教授、陈浩森教授、宋维力教授等人提出了一种结合电化学阻抗谱与三维几何重构的单颗粒定量方法，首次在实验上精确测量了NMC811颗粒六个代表性晶面的本征交换电流密度（j₀）。该研究成果以“Quantifying the electrochemical kinetics of battery positive-electrode crystal facets”为题，发表于《Nature Communications》，第一作者为李旭博士后。（https://www.nature.com/articles/s41467-025-65068-5）。

 研究团队首先定义了三个不同尺度下的交换电流密度：电极尺度（j_0(Electrode)）、颗粒尺度（i_0(Particle)）和晶面尺度（j_0(Facet)），并建立了它们之间的数学关系。之后，采用单颗粒方法测量了NMC811正极（003）、（201）、（104）、（113）、（102）、（101）六种晶面的交换电流密度，发现不同晶面间脱嵌反应动力学差异巨大，例如，动力学最快的（201）晶面的交换电流密度是（003）晶面的25倍。（003）晶面是NMC811材料中动力学最缓慢的界面，是限制NMC811正极高倍率性能的关键因素。

图 1 NMC811正极六种晶面脱嵌反应动力学的定量化。(a)研究内容示意图；(b)六种晶面的交换电流密度；(c)在额外三个颗粒上进行的测量误差分析。

通过绝热电子耦合离子转移模型研究了NMC811正极不同晶面间脱嵌反应动力学存在显著差异的机制，发现晶面的功函数（WF）以及液相Li⁺与晶面的电子相互作用（Δ₀）都影响着晶面的交换电流密度。其中，功函数通过影响电极-电解质界面的电场分布来调控反应能垒，而电子相互作用则直接影响锂离子的去溶剂化过程。理论计算与实验数据高度吻合，表明功函数是主导不同晶面锂离子嵌入速率差异的主要因素。

图 2 NMC811晶面脱嵌反应动力学主导因素研究。(a)NMC811-电解液电化学界面示意图；(b)功函数与晶面交换电流密度的关系；(c) 电子相互作用与晶面交换电流密度的关系。

最后，基于对晶面动力学的深刻理解，研究团队进一步提出了各向异性核壳纳米结构NMC811材料的设计理念。该结构通过精确调控颗粒表面晶面的暴露，最大限度地减少了动力学缓慢的（003）晶面与电解质的接触，大幅提升了NMC811正极材料在高倍率条件下的放电容量。该材料在10 C的倍率下，仍能提供144 mAh×g⁻¹的放电比容量，并在500次循环后容量保持率超过80%。电化学-力学耦合模拟还揭示，各向异性核壳结构在充放电过程中应力分布更集中于颗粒内部，有助于缓解循环过程中的应变变化，延长循环寿命。

图 3 高倍率NMC811正极的设计。(a)各向同性NMC811正极和各向异性核壳结构NMC811正极的结构示意图；(b)各向同性NMC811正极和(c)各向异性核壳结构NMC811正极的断面SEM图像；(d)两种材料在10 C倍率长循环过程中的放电容量。

该研究不仅开发了一种能够在单颗粒尺度定量解析晶面电化学动力学的普适性方法，而且通过理论建模与实验验证相结合，揭示了晶面功函数和电子相互作用是调控反应动力学的内在机制。所设计的各向异性核壳NMC811正极材料成功实现了高容量与高倍率性能的统一，为发展兼具高能量密度和高功率密度的下一代锂离子电池提供了全新的材料设计思路和坚实的实验基础。