科学家揭示单晶电池老化机制 助力电动汽车电池设计革新

科学家已解开高镍单晶锂离子电池老化谜团，发现其失效主因是颗粒内部反应不均引发的应力开裂，而非传统晶界问题。

美国阿贡国家实验室与芝加哥大学研究人员通过同步辐射X射线和高分辨率电子显微镜，在纳米尺度揭示了单晶镍锰钴（NMC）正极材料的老化路径。

研究显示，单晶正极颗粒内部不同区域的电化学反应速率存在差异，导致局部应力积聚，从而从内部产生裂纹，这一机制与多晶材料截然不同。

此前电池设计沿用多晶思路，忽视了单晶特有的力学失效模式。研究证实，在多晶体系中加剧开裂的钴元素，在单晶体系中反而有助于提升结构稳定性。

实验对比镍钴与镍锰单晶电池发现，锰元素引发更严重的力学损伤，而钴能有效抑制裂纹生成，增强耐用性。

尽管钴具备优势，但其高昂成本成为产业化瓶颈。研究人员指出，未来需开发低成本替代材料以复制钴的稳定作用。

该研究建立了材料成分与老化行为之间的直接关联，为优化单晶正极设计提供了科学依据。

阿贡国家实验室化学家刘同超表示，这一发现重塑了对电池材料老化的认知，有助于推动高性能、长寿命电池的研发。

储能研究联盟主任孟祥雪强调，必须采用全新设计策略并开发适配新材料，才能充分发挥单晶电池潜力。

这项成果发表于《自然・纳米技术》，被认为将为下一代电动汽车电池提供清晰的技术路线图，提升安全性与可靠性。

研究团队认为，只有持续破解电池老化机理，才能增强公众对电动汽车电池的信任，支撑社会电气化进程。