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

美國阿貢國家實驗室與芝加哥大學普利茲克分子工程學院的研究人員，針對一類曾被寄予厚望的鋰離子電池展開了深入研究。這類電池原本被認為在安全性和續(xù)航方面更具優(yōu)勢，然而實際表現(xiàn)卻未達預期。研究人員將目光聚焦于高鎳鋰離子電池，這種電池在電動汽車領(lǐng)域應用廣泛。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)重點轉(zhuǎn)向單晶正極。

然而，單晶電池的表現(xiàn)并非如預期般理想。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家們感到困惑，也引發(fā)了公眾對電池壽命和安全性的擔憂。阿貢國家實驗室杰出研究員卡里爾?阿明指出，社會電氣化進程需要各方共同努力，若消費者對電池的安全性和耐用性缺乏信任，就不會選擇電動汽車。

研究團隊經(jīng)過深入探索，發(fā)現(xiàn)了單晶正極失效的真正原因。此前，人們在研發(fā)單晶電池時，仍沿用多晶電池的設(shè)計理念，將基于多晶材料得出的結(jié)論錯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制與多晶材料有著本質(zhì)區(qū)別。

借助先進的同步輻射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不均勻性。單晶顆粒內(nèi)部不同區(qū)域的反應速率存在差異，由此產(chǎn)生的內(nèi)部應力會從顆粒內(nèi)部引發(fā)破裂。阿貢國家實驗室化學家劉同超稱，單晶鎳錳鈷（NMC）正極的老化主要由一種獨特的力學失效模式主導，這項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)顛覆了人們對電池材料的傳統(tǒng)認知。在多晶正極中，鈷元素雖被認為會加劇電池開裂，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。研究團隊通過分別測試鎳鈷電池與鎳錳電池發(fā)現(xiàn)，錳元素會對電池造成更嚴重的力學損傷，而鈷元素反而能提升電池的耐用性。

阿貢國家實驗室儲能研究聯(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，但成本高昂。王靜提到，下一個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)進步是一個不斷解決問題的過程，解決一個問題后，就要著手攻克下一個挑戰(zhàn)。

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