電動(dòng)汽車的推廣進(jìn)程中，電池性能始終是核心關(guān)注點(diǎn)。長(zhǎng)期以來，電池起火、續(xù)航能力下降以及過早出現(xiàn)故障等問題，成為制約電動(dòng)汽車大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵因素。不過，近期科學(xué)家在電池研究領(lǐng)域取得了重要突破，有望為解決這些難題帶來新的思路。

美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室與芝加哥大學(xué)普利茲克分子工程學(xué)院的研究人員，針對(duì)一類曾被寄予厚望的鋰離子電池展開了深入研究。這類電池原本被認(rèn)為在安全性和續(xù)航方面更具優(yōu)勢(shì)，然而實(shí)際表現(xiàn)卻未達(dá)預(yù)期。研究人員將目光聚焦于高鎳鋰離子電池，這種電池在電動(dòng)汽車領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。傳統(tǒng)高鎳電池采用多晶正極，由眾多微小晶體構(gòu)成。為提升電池耐用性、避免開裂，行業(yè)逐漸將研發(fā)重點(diǎn)轉(zhuǎn)向單晶正極。

然而，單晶電池的表現(xiàn)并非如預(yù)期般理想。盡管單晶正極不存在多晶材料中容易引發(fā)裂紋的晶界，但電池老化現(xiàn)象依然存在。這一問題不僅讓科學(xué)家們感到困惑，也引發(fā)了公眾對(duì)電池壽命和安全性的擔(dān)憂。阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室杰出研究員卡里爾?阿明指出，社會(huì)電氣化進(jìn)程需要各方共同努力，若消費(fèi)者對(duì)電池的安全性和耐用性缺乏信任，就不會(huì)選擇電動(dòng)汽車。

研究團(tuán)隊(duì)經(jīng)過深入探索，發(fā)現(xiàn)了單晶正極失效的真正原因。此前，人們?cè)谘邪l(fā)單晶電池時(shí)，仍沿用多晶電池的設(shè)計(jì)理念，將基于多晶材料得出的結(jié)論錯(cuò)誤地套用到單晶電池上。該研究的第一作者王靜表示，單晶顆粒的主要老化機(jī)制與多晶材料有著本質(zhì)區(qū)別。

借助先進(jìn)的同步輻射X射線技術(shù)和高分辨率電子顯微鏡，研究人員發(fā)現(xiàn)單晶正極的開裂源于反應(yīng)不均勻性。單晶顆粒內(nèi)部不同區(qū)域的反應(yīng)速率存在差異，由此產(chǎn)生的內(nèi)部應(yīng)力會(huì)從顆粒內(nèi)部引發(fā)破裂。阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室化學(xué)家劉同超稱，單晶鎳錳鈷（NMC）正極的老化主要由一種獨(dú)特的力學(xué)失效模式主導(dǎo)，這項(xiàng)研究建立了材料成分與老化路徑之間的直接聯(lián)系。

這一發(fā)現(xiàn)顛覆了人們對(duì)電池材料的傳統(tǒng)認(rèn)知。在多晶正極中，鈷元素雖被認(rèn)為會(huì)加劇電池開裂，但卻是維持電池結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、防止結(jié)構(gòu)紊亂的關(guān)鍵元素。而在單晶正極中，情況卻截然不同。研究團(tuán)隊(duì)通過分別測(cè)試鎳鈷電池與鎳錳電池發(fā)現(xiàn)，錳元素會(huì)對(duì)電池造成更嚴(yán)重的力學(xué)損傷，而鈷元素反而能提升電池的耐用性。

阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室儲(chǔ)能研究聯(lián)盟主任孟祥雪表示，基于這些研究成果，不僅需要全新的設(shè)計(jì)策略，還需開發(fā)適配的新型材料。通過深入了解不同類型正極材料的老化機(jī)理，能夠助力研發(fā)一系列高性能的正極材料。

不過，鈷元素雖然具有優(yōu)勢(shì)，但成本高昂。王靜提到，下一個(gè)亟待解決的問題是尋找低成本的替代材料，這種材料既要能復(fù)刻鈷元素的穩(wěn)定效果，又不能增加電池的生產(chǎn)成本?？ɡ餇?阿明也表示，技術(shù)進(jìn)步是一個(gè)不斷解決問題的過程，解決一個(gè)問題后，就要著手攻克下一個(gè)挑戰(zhàn)。

據(jù)《自然?納米技術(shù)》期刊報(bào)道，在電動(dòng)汽車的普及高度依賴消費(fèi)者對(duì)電池信任度、可靠性和性能認(rèn)可的當(dāng)下，這項(xiàng)研究成果為研發(fā)更安全、更耐用的電池提供了明確的技術(shù)方向。