科學(xué)家解開電動(dòng)汽車單晶電池老化謎團(tuán)，重塑電池設(shè)計(jì)思路

IT之家 12 月 30 日消息，電池起火、續(xù)航衰減以及過早故障，長(zhǎng)期以來都是困擾電動(dòng)汽車的難題。

如今，科學(xué)家表示，電池老化背后一個(gè)最棘手的謎團(tuán)終于被解開了，而且這一發(fā)現(xiàn)的研究尺度精確到了十億分之一米。

美國阿貢國家實(shí)驗(yàn)室與芝加哥大學(xué)普利茲克分子工程學(xué)院的研究人員發(fā)現(xiàn)了一類新型鋰離子電池未能達(dá)到預(yù)期的原因，這類電池曾被認(rèn)為更安全、續(xù)航更久。他們的研究成果或?qū)⒅厮芪磥黼妱?dòng)汽車電池的設(shè)計(jì)思路。

這項(xiàng)研究聚焦于高鎳鋰離子電池，這是一種在電動(dòng)汽車中被廣泛應(yīng)用的電池類型。傳統(tǒng)的高鎳電池采用由眾多微小晶體構(gòu)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(fā)方向轉(zhuǎn)向了單晶正極。但單晶電池的表現(xiàn)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(fā)裂紋的晶界，電池依舊會(huì)出現(xiàn)老化現(xiàn)象，這一問題不僅令科學(xué)家們困惑不已，也引發(fā)了人們對(duì)電池壽命與安全性的擔(dān)憂。

“社會(huì)電氣化的推進(jìn)需要所有人的共同努力，”阿貢國家實(shí)驗(yàn)室杰出研究員、芝加哥大學(xué)聯(lián)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(huì)選擇使用電動(dòng)汽車。”

這項(xiàng)新研究揭示了單晶正極失效的原因。研究團(tuán)隊(duì)指出，此前人們將基于多晶材料得出的結(jié)論，錯(cuò)誤地套用到了單晶電池的設(shè)計(jì)中。

“當(dāng)人們?cè)噲D轉(zhuǎn)向單晶正極研發(fā)時(shí)，沿用的依舊是多晶電池的設(shè)計(jì)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(shí)，單晶顆粒的主要老化機(jī)制與多晶材料截然不同。”

研究人員借助先進(jìn)的同步輻射 X 射線技術(shù)與高分辨率電子顯微鏡發(fā)現(xiàn)，單晶正極的開裂是由反應(yīng)不均勻性引起的。單晶顆粒內(nèi)部的不同區(qū)域反應(yīng)速率存在差異，由此產(chǎn)生的內(nèi)部應(yīng)力會(huì)從顆粒內(nèi)部引發(fā)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(dú)特的力學(xué)失效模式主導(dǎo)的，”阿貢國家實(shí)驗(yàn)室化學(xué)家劉同超（Tongchao Liu，音譯）表示，“這項(xiàng)研究建立起了材料成分與老化路徑之間的直接關(guān)聯(lián)。”

這一發(fā)現(xiàn)同時(shí)顛覆了人們對(duì)電池材料的傳統(tǒng)認(rèn)知。在多晶正極中，鈷元素雖被認(rèn)為會(huì)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)紊亂的必需品。而在單晶正極中，情況卻恰恰相反。

據(jù)IT之家了解，研究團(tuán)隊(duì)通過分別測(cè)試鎳鈷電池與鎳錳電池發(fā)現(xiàn)，錳元素會(huì)對(duì)電池造成更嚴(yán)重的力學(xué)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(shè)計(jì)策略，還得開發(fā)適配的新型材料，”阿貢國家實(shí)驗(yàn)室儲(chǔ)能研究聯(lián)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(jī)理，我們能夠助力研發(fā)一系列高性能的正極材料。”

不過，鈷元素雖有優(yōu)勢(shì)，卻存在一個(gè)明顯的短板 —— 成本高昂。王靜表示，下一個(gè)亟待攻克的難題，是尋找低成本的替代材料，既能復(fù)刻鈷元素的穩(wěn)定效果，又不會(huì)抬高電池的生產(chǎn)成本。

“技術(shù)的進(jìn)步是一個(gè)循環(huán)往復(fù)的過程，”阿明說，“解決一個(gè)問題之后，便要著手攻克下一個(gè)挑戰(zhàn)。”

據(jù)《自然?納米技術(shù)》期刊報(bào)道，在電動(dòng)汽車的普及高度依賴消費(fèi)者對(duì)電池的信任度、可靠性和性能認(rèn)可的當(dāng)下，這項(xiàng)研究成果為研發(fā)更安全、更耐用的電池提供了一份清晰的技術(shù)路線圖。