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近期在《自然·纳米技术》发表一项研究，揭示了新一代电池材料中导致开裂与性能衰退的原因。这项研究发现了单晶富镍层状氧化物正极存在与传统认知不同的失效机制，为开发更安全、更耐用的电动汽车电池提供了新思路。

长期以来，工程师们致力于解决锂离子电池多晶富镍正极材料因充放电循环产生裂纹的问题。为规避此缺陷，行业转向采用无内部晶界的单晶材料，但其实际性能表现并不稳定。该研究团队发现，先前针对多晶材料的设计原则被错误地应用于单晶材料，这正是问题的关键。通讯作者之一、阿贡国家实验室杰出研究员哈利勒·阿明表示：“社会电气化需要每个人的贡献，如果人们不相信电池的安全性和持久性，他们就不会选择使用电池。”

研究主导者、博士后研究员王静指出：“人们在尝试过渡到单晶阴极时，一直遵循着与多晶阴极类似的设计原则。我们的研究表明，单晶颗粒的主要降解机制与多晶颗粒不同，这导致了它们对成分的不同要求。”通过同步辐射X射线与高分辨率电子显微技术，团队观察到单晶颗粒内部反应不均，由此产生的内应力会引发裂纹，这与多晶材料中晶界扩大的失效模式有本质区别。

尤为关键的是，研究结果挑战了关于钴、锰元素作用的传统认知。在单晶正极中，锰反而会加剧机械损伤，而钴有助于提升耐久性。共同通讯作者、阿贡国家实验室化学家刘同超说：“我们证明，单晶NMC正极材料的退化主要受一种独特的机械失效模式控制。通过识别这种此前未被充分重视的机制，这项工作建立了材料组成与退化路径之间的直接联系。”该发现意味着，针对单晶电池材料需要全新的成分设计策略。

这项合作研究为未来电动汽车电池的正极开发指明了方向。团队下一步将探索更具成本效益的材料，以期在保障性能的同时推动电池技术的迭代进步。