科学家解开电动汽车单晶电池老化谜团，重塑电池设计思路

IT之家 12 月 30 日消息，电池起火、续航衰减以及过早故障，长期以来都是困扰电动汽车的难题。

如今，科学家表示，电池老化背后一个最棘手的谜团终于被解开了，而且这一发现的研究尺度精确到了十亿分之一米。

美国阿贡国家实验室与芝加哥大学普利兹克分子工程学院的研究人员发现了一类新型锂离子电池未能达到预期的原因，这类电池曾被认为更安全、续航更久。他们的研究成果或将重塑未来电动汽车电池的设计思路。

这项研究聚焦于高镍锂离子电池，这是一种在电动汽车中被广泛应用的电池类型。传统的高镍电池采用由众多微小晶体构成的多晶正极，而研究人员为了避免电池开裂、提升耐用性，逐渐将研发方向转向了单晶正极。但单晶电池的表现并非总能更胜一筹，尽管单晶正极不存在多晶材料中常见的、容易引发裂纹的晶界，电池依旧会出现老化现象，这一问题不仅令科学家们困惑不已，也引发了人们对电池寿命与安全性的担忧。

“社会电气化的推进需要所有人的共同努力，”阿贡国家实验室杰出研究员、芝加哥大学联合教授卡里尔・阿明表示，“如果人们无法信任电池的安全性和耐用性，就不会选择使用电动汽车。”

这项新研究揭示了单晶正极失效的原因。研究团队指出，此前人们将基于多晶材料得出的结论，错误地套用到了单晶电池的设计中。

“当人们试图转向单晶正极研发时，沿用的依旧是多晶电池的设计理念，”该研究的第一作者王静（Jing Wang，音译）说，“而我们的研究证实，单晶颗粒的主要老化机制与多晶材料截然不同。”

研究人员借助先进的同步辐射 X 射线技术与高分辨率电子显微镜发现，单晶正极的开裂是由反应不均匀性引起的。单晶颗粒内部的不同区域反应速率存在差异，由此产生的内部应力会从颗粒内部引发破裂。

“我们的研究证明，单晶镍锰钴（NMC）正极的老化，主要是由一种独特的力学失效模式主导的，”阿贡国家实验室化学家刘同超（Tongchao Liu，音译）表示，“这项研究建立起了材料成分与老化路径之间的直接关联。”

这一发现同时颠覆了人们对电池材料的传统认知。在多晶正极中，钴元素虽被认为会加剧电池开裂，但却是维持电池结构稳定、防止结构紊乱的必需品。而在单晶正极中，情况却恰恰相反。

据IT之家了解，研究团队通过分别测试镍钴电池与镍锰电池发现，锰元素会对电池造成更严重的力学损伤，而钴元素反而能提升电池的耐用性。

“我们不仅需要全新的设计策略，还得开发适配的新型材料，”阿贡国家实验室储能研究联盟主任孟祥雪（Shirley Meng，音译）说，“通过更深入地了解不同类型正极材料的老化机理，我们能够助力研发一系列高性能的正极材料。”

不过，钴元素虽有优势，却存在一个明显的短板 —— 成本高昂。王静表示，下一个亟待攻克的难题，是寻找低成本的替代材料，既能复刻钴元素的稳定效果，又不会抬高电池的生产成本。

“技术的进步是一个循环往复的过程，”阿明说，“解决一个问题之后，便要着手攻克下一个挑战。”

据《自然・纳米技术》期刊报道，在电动汽车的普及高度依赖消费者对电池的信任度、可靠性和性能认可的当下，这项研究成果为研发更安全、更耐用的电池提供了一份清晰的技术路线图。