鋰離子電池降解的研究正在挑戰長期以來關于高能陰極失效原因的假設，這對電動汽車安全和壽命優化具有重要意義。阿貢國家實驗室與芝加哥大學普利茲克分子工程學院的聯合團隊發現了單晶正極材料中獨特的機械降解路徑，這與傳統多晶設計中存在根本不同。

對于研究電池材料、電池設計或電動汽車平臺的讀者來說，這些發現具有相關性，因為它們表明隨著行業向單晶陰極的轉變，一些現有設計規則可能會被誤用。這可能影響未來的材料選擇、資格策略以及成本、壽命和安全之間的權衡。

為什么單晶陰極的降解方式不同

富鎳層氧化物陰極廣泛應用于鋰離子電池，但多晶變體長期以來與充電周期中反復膨脹和收縮引起的裂紋有關。這些裂紋可能導致電解質進入，觸發副作用、氧氣釋放和加速容量衰退，極端情況下還可能引發安全事故。

為緩解這一問題，電池開發者越來越多地探索單晶NMC陰極，這些正極缺乏導致多晶材料開裂的內部晶界。然而，實際表現并未始終符合預期，促使進一步調查。

新研究表明，單晶陰極的降解主要受單個顆粒內的反應異質性影響，而非晶粒間的應力。先進的同步輻射X射線技術和高分辨率電子顯微鏡揭示了單個粒子的不同區域反應速率不同，產生內部應變，最終導致裂紋。

研究人員指出，多晶陰極設計中繼承的假設掩蓋了這一機制，導致材料組成未能針對單晶性能進行優化。

重新思考陰極成分的作用

研究結果也挑戰了關于鎳、錳和鈷在陰極穩定性中作用的傳統觀點。在多晶NMC陰極中，鈷常與機械弱點相關，但保留鈷以抑制鋰鎳無序。研究表明，這種平衡在單晶材料中會發生變化。

通過比較鎳鈷和鎳錳陰極，團隊發現錳在單晶結構中機械上可能更具破壞性，而鈷則可能有助于延長使用壽命。這與主要基于成本和供應鏈考慮減少鈷含量的趨勢背道而馳。

盡管鈷的成本仍令人擔憂，研究人員認為，理解其穩定作用可指導開發替代摻雜劑或復合策略，以復制鈷的效益，同時避免相同的材料成本損失。

對電池壽命和安全的影響

研究表明，提升單晶陰極性能可能需要不同的設計策略，而非對現有配方的漸進式優化。通過將材料成分直接與獨特的降解機制聯系起來，本研究為針對特定占空比和性能目標定制陰極提供了框架。

隨著單晶陰極越來越被考慮用于高能應用，預測和減輕內部應變的能力可能有助于延長使用壽命并潛在提高安全裕度。