氧化物正极材料因其广泛应用于锂离子电池（Li-ion batteries）等能源存储领域，成为了近年来的研究热点。与传统的过渡金属氧化物材料相比，Li丰富层状氧化物（Li-rich oxides）具有较高的理论容量和更好的循环性能，因而被认为是下一代电池技术的重要候选材料。然而，这类材料在高容量充放电过程中常常出现电压衰减、氧气释放和电压滞后等问题，限制了其商业化应用。因此，如何解决这些挑战成为了研究的重点。
鉴于此，法兰西公学院Jean-Marie Tarascon院士团队、第一作者Xu Gao（中南大学校友）等人在Nature Materials期刊上发表了题为“Clarifying the origin of molecular O2 in cathode oxides”的最新论文。该团队通过实验设计与制备Li-rich NMC材料，实现了高效的氧化还原反应，显著提升了电池性能。通过结合高分辨率的共振X射线非弹性散射（RIXS）技术，研究人员发现分子O2信号不仅出现在Li-rich氧化物材料中，还在O还原反应不活跃的氧化物材料中显现，进一步揭示了分子O2并非电化学反应的直接产物，而更可能是X射线激发过程中生成的产物。
该研究通过综合运用RIXS、硬X射线光电子能谱（HAXPES）、透射电子显微镜（TEM）和电子能量损失光谱（EELS）等技术，揭示了分子O2在氧化物电极中的存在方式，并提出分子O2并非由氧还原反应直接生成，而是可能由“金属-O2”类型的物质在X射线激发下分解所致。这一发现为理解Li-rich氧化物电极的电化学行为提供了新的视角，并对氧化还原反应的机制提出了新的解释。
通过这些研究，团队不仅解答了分子O2信号存在的争议，还为电池材料的优化设计提供了理论依据。这项研究的成功不仅提升了对Li-rich氧化物电极材料的理解，同时也为开发更稳定、更高效的锂离子电池提供了重要的技术路线。
（1）实验首次通过高分辨率共振X射线非弹性散射（RIXS）光谱，揭示了分子O2信号不仅出现在富锂氧化物正极材料中，也在氧还原不活跃的氧化物材料中出现，表明分子O2并非电化学直接产物，而可能与X射线激发过程中的核心激发过程相关。实验结果还表明，即使在短时间暴露（如1分钟）下，分子O2信号也能稳定出现。
（2）实验通过结合RIXS、HAXPES、透射电子显微镜（TEM）和电子能量损失谱（EELS）等多种技术，对Li-rich和Li-化学计量氧化物材料进行了系统研究。结果表明，分子O2信号并非局限于富锂氧化物，而是在不同的氧化物材料中都可以观察到，且其存在与电压滞后和电压衰减无直接关系。
（3）通过对RIXS图谱的定量分析，发现分子O2信号与氧还原不活跃氧化物中的空位簇（vacancy clusters）中分子O2的捕获存在密切关系，这与之前的研究发现分子O2可能被“牢固”捕捉在过渡金属中心附近的空位簇中的观点一致。该实验结果进一步明确了分子O2不是新型电池氧化物正极材料的能量来源。
（4）实验通过对比理论计算与实验数据，提出了分子O2的形成机制，认为其可能是由‘M-(O–O)’样物种在X射线束激发下发生解离反应产生的，而非电化学过程中的直接产物。此发现有助于解决有关分子O2信号的争议，并为理解氧还原活性与电极稳定性之间的关系提供了新的视角。
图1：各种充电氧化物正极材料中的RIXS振动特征。
图2：Li-rich NMC和NMC811的电化学和RIXS光谱。
图3：通过RIXS图谱定量分析分子O2。
图4：分子O2的计算特征与观察结果。
图5：Li-rich NMC和NMC811的HAXPES分析。
图6：分子O2的提出机制。
本文的研究为理解富锂氧化物和Li-化学计量氧化物中的分子O2现象提供了新的视角，揭示了分子O2并非电化学反应的直接产物，而是与X射线激发过程密切相关。这一发现不仅解决了关于电压滞后和电压衰减的争议，还调和了文献中关于分子O2信号的不同结论。通过这一机制的提出，本文为优化层状正极材料的电化学性能提供了启示，特别是在涂层、掺杂及纳米结构设计的应用中，有助于改善电池的稳定性和循环寿命。
从更广泛的角度来看，理解分子O2的生成机制以及其与材料表面结构、氧化还原行为的关系，对于未来电池技术的提升具有重要意义。尤其是在提升Li-ion电池的能量密度、延长使用寿命及增强安全性方面，这一研究为科学家们提供了新的方向。进一步探索分子O2与氧气释放、金属溶解等因素之间的相互作用，将有助于推动更高效、长寿命的电池开发，促进可持续能源的应用。
Gao, X., Li, B., Kummer, K. et al. Clarifying the origin of molecular O2 in cathode oxides. Nat. Mater. (2025). https://doi.org/10.1038/s41563-025-02144-7