科學家解開電動汽車單晶電池老化謎團，重塑電池設計思路

IT之家 12 月 30 日消息，電池起火、續航衰減以及過早故障，長期以來都是困擾電動汽車的難題。

如今，科學家表示，電池老化背后一個最棘手的謎團終于被解開了，而且這一發現的研究尺度精確到了十億分之一米。

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發現了一類新型鋰離子電池未能達到預期的原因，這類電池曾被認為更安全、續航更久。他們的研究成果或將重塑未來電動汽車電池的設計思路。

這項研究聚焦于高鎳鋰離子電池，這是一種在電動汽車中被廣泛應用的電池類型。傳統的高鎳電池采用由眾多微小晶體構成的多晶正極，而研究人員為了避免電池開裂、提升耐用性，逐漸將研發方向轉向了單晶正極。但單晶電池的表現并非總能更勝一籌，盡管單晶正極不存在多晶材料中常見的、容易引發裂紋的晶界，電池依舊會出現老化現象，這一問題不僅令科學家們困惑不已，也引發了人們對電池壽命與安全性的擔憂。

“社會電氣化的推進需要所有人的共同努力，”阿貢國家實驗室杰出研究員、芝加哥大學聯合教授卡里爾?阿明表示，“如果人們無法信任電池的安全性和耐用性，就不會選擇使用電動汽車?！?/p>

這項新研究揭示了單晶正極失效的原因。研究團隊指出，此前人們將基于多晶材料得出的結論，錯誤地套用到了單晶電池的設計中。

“當人們試圖轉向單晶正極研發時，沿用的依舊是多晶電池的設計理念，”該研究的第一作者王靜（Jing Wang，音譯）說，“而我們的研究證實，單晶顆粒的主要老化機制與多晶材料截然不同?！?/p>

研究人員借助先進的同步輻射 X 射線技術與高分辨率電子顯微鏡發現，單晶正極的開裂是由反應不均勻性引起的。單晶顆粒內部的不同區域反應速率存在差異，由此產生的內部應力會從顆粒內部引發破裂。

“我們的研究證明，單晶鎳錳鈷（NMC）正極的老化，主要是由一種獨特的力學失效模式主導的，”阿貢國家實驗室化學家劉同超（Tongchao Liu，音譯）表示，“這項研究建立起了材料成分與老化路徑之間的直接關聯。”

這一發現同時顛覆了人們對電池材料的傳統認知。在多晶正極中，鈷元素雖被認為會加劇電池開裂，但卻是維持電池結構穩定、防止結構紊亂的必需品。而在單晶正極中，情況卻恰恰相反。

據IT之家了解，研究團隊通過分別測試鎳鈷電池與鎳錳電池發現，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。

“我們不僅需要全新的設計策略，還得開發適配的新型材料，”阿貢國家實驗室儲能研究聯盟主任孟祥雪（Shirley Meng，音譯）說，“通過更深入地了解不同類型正極材料的老化機理，我們能夠助力研發一系列高性能的正極材料?！?/p>

不過，鈷元素雖有優勢，卻存在一個明顯的短板 —— 成本高昂。王靜表示，下一個亟待攻克的難題，是尋找低成本的替代材料，既能復刻鈷元素的穩定效果，又不會抬高電池的生產成本。

“技術的進步是一個循環往復的過程，”阿明說，“解決一個問題之后，便要著手攻克下一個挑戰。”

據《自然?納米技術》期刊報道，在電動汽車的普及高度依賴消費者對電池的信任度、可靠性和性能認可的當下，這項研究成果為研發更安全、更耐用的電池提供了一份清晰的技術路線圖。