江苏
想让手机少充几次电、笔记本电脑多撑几个小时、无人机飞得更远，电池正极材料必须释放出更多能量。
钴酸锂是消费电子电池中最重要的正极材料之一，而把它的充电电压从目前商用的约4.4V提升到5V，被认为是打开高能量密度电池大门的关键一步。
然而，5V也是钴酸锂面临的“极限考场”：电压越高，能量潜力越大，材料承受的结构压力也越强。它究竟会在哪里先“扛不住”，又会如何从内部走向失效？这个问题此前一直无解。
近日，中国科学院金属研究所王春阳团队借助原子级超分辨成像技术，给材料内部拍下一张张“逐原子特写”，首次完整捕捉到钴酸锂在5V极端电压下的全程“内伤演变图谱”。这项发现发表于《美国化学会志》，彻底刷新了我们对电池失效的传统认知。
传统认知只看到“皮外伤”，新发现揪出了“全身筋骨错位”
过去，科学家普遍认为高压下钴酸锂失效主要是表面氧跑掉，然后表面发生相变（结构重排），像皮肤晒伤脱皮一样。但这次研究发现，真正的“致命伤”来得更早、更深：
当电压冲到5V时，钴酸锂的整个晶体骨架并非静止不动，而是像一块被猛烈扭曲的金属板——全域晶格变形率先爆发。具体来说：
·面内剪切变形：把原本整齐排列的层状结构（O3型）撵碎成由O3、O1和反向O3组成的纳米马赛克结构，同时产生亚纳米级的孪晶、三角堆垛等复杂缺陷——好比一副整齐的扑克牌被推成歪歪扭扭的“乱码堆”。
· 非剪切变形：局部晶格像波浪一样弯曲、扭折，直接诱发晶内微裂纹萌生。这些变形一旦被“冻结”在材料中，就再也无法恢复。
更关键的是，这些力学变形与晶格失氧相互“勾结”，在表面形成一种多层“夹心式”退化结构——这层“夹心”既阻挡锂离子重新嵌入，又加剧应力集中，最终启动加速失效的链条：
电化学反应产生应力 → 晶格整体变形 → 相变、裂纹、失氧同时上演 → 容量跳水
换句话说，高压下钴酸锂不是“慢慢磨损”，而是“筋骨先扭伤，然后皮肉溃烂”，两者互相放大，导致快速衰亡。
对症下药：给钴酸锂装“骨架支撑”和“表面防晒”
看清了病灶，团队随即提出协同调控策略：
· “支柱型”掺杂：在晶格中引入镁（Mg）离子，像给大楼加装钢支撑，增强层状骨架抵抗变形的能力；
· 含硫物种表面稳定：用硫元素稳住近表面氧结构，相当于给材料涂上“防晒膜”，抑制失氧和表面退化。
验证结果非常亮眼：普通商业钴酸锂在5V高压下循环10圈后容量只剩67.73%，而Mg/S共掺杂的样品容量保持率飙升到83.93%，同时马赛克相变、堆垛缺陷和微裂纹都明显被抑制。
意义不止于钴酸锂
这项研究首次将正极材料失效的“元凶”从表面化学扩展到体相力学，提醒所有电池材料研究者：超高电压下，力学稳定性与化学稳定性同等重要。这一新视角不仅为下一代高压钴酸锂优化指明方向，也为所有层状氧化物正极材料提供了通用的设计思路。
简单说，未来更耐用、更长寿的高压电池，很可能就源于这次“看清内伤”的突破——而我们的手机、笔记本、无人机，或许因此能再“多扛几年”。
来源：中国科学院金属研究所
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