这个隐藏缺陷正在让电动车电池频频出问题

这项发表在《自然·纳米技术》上的研究，解释了电池材料内部如何积聚极小的内应力并引发开裂。这些影响对于电动汽车及其他高需求技术中使用的电池尤为重要，因为在这些应用中，耐用性和安全性至关重要。该研究的通讯作者之一、阿贡国家实验室杰出研究员兼芝加哥大学联合教授哈利勒·阿明表示：“社会电气化需要每个人的贡献。如果人们不信任电池的安全性和耐用性，他们就不会选择使用它们。”为何新型电池材料不尽如人意 多年来，工程师们一直在与锂离子电池的开裂问题作斗争，这类电池的阴极使用多晶富镍材料（PC-NMC）。这些材料由许多微小的晶粒堆积而成，反复充放电会导致它们断裂。为避免这一问题，研究人员开始转向单晶富镍层状氧化物（SC-NMC），这类材料没有内部晶界。尽管前景广阔，单晶阴极的性能并不总是如预期那般出色。这项新研究解释了其中原因。该研究由王静（音译）在芝加哥大学普利兹克分子工程学院（PME）攻读博士期间，通过GRC项目领导，在 Shirley Meng 教授的储能与转换实验室以及阿明的先进电池技术团队的联合指导下完成。研究团队发现，为多晶阴极制定的设计规则被错误地应用于单晶材料。他们发现，这种不匹配正是性能问题的核心所在。通过GRC项目和芝加哥大学能源转型网络，王静与国家实验室的科学家及行业合作伙伴密切合作，推动了这项研究的进展。现为芝加哥大学和阿贡国家实验室博士后研究员的王静表示：“当人们尝试转向单晶阴极时，他们一直遵循与多晶阴极相似的设计原则。我们的研究发现，单晶颗粒的主要降解机制与多晶颗粒不同，这导致了不同的成分要求。”重新思考电池设计与材料 这些发现挑战了传统的电池设计策略以及关于哪些元素有助于或损害性能的假设。特别是，这项研究重塑了对钴和锰如何影响电池内部机械故障的理解。同时担任阿贡国家实验室储能研究联盟（ESRA）主任的 Meng 教授表示：“要使单晶阴极电池充分发挥潜力，不仅需要新的设计策略，还需要不同的材料。通过更好地理解不同类型阴极材料的降解方式，我们可以帮助设计出一系列高性能的阴极材料，以满足全球能源需求。”电池阴极裂纹的形成过程 在多晶阴极中，充放电会导致堆叠的颗粒反复膨胀和收缩。随着时间的推移，这种运动会扩大晶粒之间的边界，就像冻融循环对路面造成损害一样。王静说：“通常，它会经历约5%至10%的体积膨胀或收缩。一旦膨胀或收缩超过弹性极限，就会导致颗粒开裂。”当裂纹扩大到足够大时，液态电解质会渗入内部。这可能引发不必要的化学反应和氧气释放，增加包括热失控在内的安全风险。即使没有发生严重故障，其渐进结果也是容量损失，因为电池会逐渐失去保持相同电荷量的能力。单晶阴极不含晶界，因此研究人员最初期望它们能避免这些问题。然而，他们发现降解仍然发生，只是原因不同。单晶内部的不同失效模式 阿贡国家实验室和芝加哥大学普利兹克分子工程学院的团队表明，单晶NMC阴极的损伤遵循独特的机械失效过程。另一位通讯作者、阿贡国家实验室化学家刘同超（音译）表示：“我们证明，单晶NMC阴极的降解主要由一种独特的机械失效模式主导。通过识别这种此前未被充分认识的机制，这项研究建立了材料成分与降解路径之间的直接联系，为深入了解这些材料性能衰减的根源提供了见解。”研究人员使用多尺度同步辐射X射线技术和高分辨率透射电子显微镜观察到，单晶颗粒内部的反应并不均匀。不同区域的反应速度不同，这在单个颗粒内部产生内应力，而非多个晶粒之间的应力。单晶电池的相反材料需求 在多晶阴极中，工程师们仔细平衡镍、锰和钴的比例。钴往往会促进开裂，但它也有助于减少另一个被称为锂/镍无序的问题。为了测试这种平衡在单晶材料中如何变化，该团队构建并评估了两种实验设计。一种使用镍和钴，不含锰；另一种使用镍和锰，不含钴。结果颠覆了传统观念。在单晶阴极中，锰导致了更多的机械损伤，而钴实际上提高了耐用性并延长了电池寿命。与镍和锰相比，钴仍然价格昂贵。王静表示，下一个挑战是找到更经济实惠且能提供与钴相同益处的材料。阿明说：“进步是循环往复的。你解决一个问题，然后继续解决下一个。这篇合作论文中概述的见解将帮助阿贡国家实验室、芝加哥大学普利兹克分子工程学院及其他地方的未来研究人员，为未来的电池创造更安全、更耐用的材料。”