能源安全与环境问题促使着人们对全球电动化的强烈渴望,随之带来了对动力电池性能要求的不断提升。发展更低成本、更高能量密度且具有更高稳定性的动力锂电池正极材料已经成为影响电动化推广,尤其是新能源汽车发展的决定性因素之一。尽管磷酸铁锂电池近两年发展迅猛,但高镍三元材料凭借其高理论能量密度、相对较低的成本以及组分高度可调等优点,仍然是高能量密度动力电池正极材料的首要选择。然而,面对着高的Ni元素含量带来的表界面原子级结构、体相晶体结构以及颗粒机械结构的不稳定性,高镍正极材料的大规模推广一直进展缓慢。解决高镍材料固有问题,提升材料稳定性已经成为了科学研究和产业发展共同关注的重点。考虑到高镍层状正极材料的发展历史以及各种材料改性方法的优缺点,元素掺杂作为“贯穿”层状正极发展进程的材料优化方法,具有工艺简单且改性效果显著的特点,是最有希望实现高稳定性高镍正极材料合成的方法之一。因此,在本篇工作中,我们尝试对高镍LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2正极材料进行不同元素掺杂改性的探索,希望可以寻找合适的掺杂元素,实现对高镍正极材料循环稳定性,尤其是高温循环稳定性的提高;并且通过对改性前后材料晶体结构、颗粒微结构和表界面原子结构的表征,深入研究高镍正极材料的衰减机理,为合成高稳定性高镍正极材料提供基础性理解与帮助。为系统地对比不同掺杂元素的改性作用,首先我们成功合成了一系列不同元素掺杂的高镍LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2材料,在控制前驱体使用一致,测试条件相同的情况下,研究对比了Mg2+、Al3+、Ti4+、Nb5+、Ta5+、Mo6+和W6+对高镍正极性能的影响,综合比较放电容量和循环稳定性改善情况,确定了Nb5+掺杂可以在较少牺牲可逆容量的情况下,显著提高高镍正极材料循环稳定性,尤其是高温循环稳定性。通过多晶X-ray衍射（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）对不同元素掺杂正极的晶体结构和颗粒形貌观察,性能的改善可能与阳离子混排的降低以及特定形貌的形成密切相关。在确定了Nb元素对高镍正极材料电化学性能出色的改性效果后,我们进一步优化了Nb掺杂LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2正极的电化学性能,分别合成了不同含量Nb掺杂的NCM材料,确定了1 mol%Nb掺杂下材料具有最优的电化学性能,常温下1C循环300周后表现出96.9%的出色容量保持率;并且通过原位和非原位XRD表征,从晶体结构改性方面,我们明确了适当的Nb元素掺杂会明显降低层状结构中的阳离子混排,并且显著缓解循环过程中的晶体结构畸变。除晶体结构方面的研究外,我们还从颗粒微结构以及表界面原子结构方面,对Nb的改性机理进行了系统地研究。考虑到传统二维形貌和微结构观察方法的局限性,我们创新性地提出了采用X-ray纳米CT结合深度学习图像处理方法,对原始LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2材料（bare-NCM）和Nb掺杂LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2材料（Nb-NCM）在55℃高温循环下二次颗粒微结构的演化进行了跟踪研究,针对不同状态下颗粒内部孔洞、开放裂纹和封闭裂纹进行了无损地三维可视化和量化分析。实验结果表明,对于bare-NCM,循环过程中开放裂纹快速增长,250周后开放裂纹体积占比为10.82%,而对于Nb-NCM,我们发现了掺杂后一次颗粒尺寸的显著降低,且相同循环条件下开放裂纹生长被明显抑制,250周后仅有0.86%。开放性裂纹的演化密切对应于高温电化学性能的表现,对于bare-NCM材料电化学性能发生快速衰减,250周下容量保持率仅有39.1%;相比之下,Nb-NCM材料高温循环稳定性表现出明显的提高,相同循环下容量保持率高达91.9%,由此明确了开放性裂纹增长是造成高镍材料高温性能衰减的主要原因。随后,为更深入地理解开放裂纹对性能衰减的直接贡献,我们采用球差校正扫描隧道电子显微镜（STEM）结合电子能量损失谱（EELS）进一步对开放和封闭裂纹处原子结构、元素组成和过渡金属氧化态进行了直接地观察。高温循环下,开放裂纹处发生的电解液浸入促使二次颗粒内部发生严重的界面副反应。晶格氧损失、结构退化、过渡金属溶解以及Ni2+的大量产生严重破坏了晶体结构的稳定性,造成可逆容量的损失,最终导致性能的快速衰减;而封闭裂纹处,尽管发现少量氧损失和Ni2+分布,但未见明显晶格结构退化和元素溶解,从而对电化学性能影响较小。通过先进表征方法的建立,结合纳米CT/深度学习与STEM/EELS分析,明确了开放裂纹的大量增长是造成高镍正极严重的高温性能衰减的主要原因,而Nb元素掺杂通过显著减小一次颗粒尺寸,构建更加稳固的二次颗粒微结构,从而有效抑制开放性裂纹的生长,进而实现了优异的高温循环稳定性。本篇工作通过系统对比不同元素掺杂下高镍正极材料的电化学性能,明确了Nb元素掺杂对材料稳定性的改善效果,并从晶体结构、二次颗粒微结构和表界面原子结构三大方面,结合先进的材料表征分析方法,充分解释了Nb元素的改性机理。本工作促进了对高镍层状正极性能衰减的理解,为高稳定性多晶高镍正极材料的开发和商业化提供了知识支撑。