电动汽车的推广进程中，电池性能始终是核心关注点。长期以来，电池起火、续航能力下降以及过早出现故障等问题，成为制约电动汽车大规模应用的关键因素。不过，近期科学家在电池研究领域取得了重要突破，有望为解决这些难题带来新的思路。
美国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，针对一类曾被寄予厚望的锂离子电池展开了深入研究。这类电池原本被认为在安全性和续航方面更具优势，然而实际表现却未达预期。研究人员将目光聚焦于高镍锂离子电池，这种电池在电动汽车领域应用广泛。传统高镍电池采用多晶正极，由众多微小晶体构成。为提升电池耐用性、避免开裂，行业逐渐将研发重点转向单晶正极。
然而，单晶电池的表现并非如预期般理想。尽管单晶正极不存在多晶材料中容易引发裂纹的晶界，但电池老化现象依然存在。这一问题不仅让科学家们感到困惑，也引发了公众对电池寿命和安全性的担忧。阿贡国家实验室杰出研究员卡里尔・阿明指出，社会电气化进程需要各方共同努力，若消费者对电池的安全性和耐用性缺乏信任，就不会选择电动汽车。
研究团队经过深入探索，发现了单晶正极失效的真正原因。此前，人们在研发单晶电池时，仍沿用多晶电池的设计理念，将基于多晶材料得出的结论错误地套用到单晶电池上。该研究的第一作者王静表示，单晶颗粒的主要老化机制与多晶材料有着本质区别。
借助先进的同步辐射X射线技术和高分辨率电子显微镜，研究人员发现单晶正极的开裂源于反应不均匀性。单晶颗粒内部不同区域的反应速率存在差异，由此产生的内部应力会从颗粒内部引发破裂。阿贡国家实验室化学家刘同超称，单晶镍锰钴（NMC）正极的老化主要由一种独特的力学失效模式主导，这项研究建立了材料成分与老化路径之间的直接联系。
这一发现颠覆了人们对电池材料的传统认知。在多晶正极中，钴元素虽被认为会加剧电池开裂，但却是维持电池结构稳定、防止结构紊乱的关键元素。而在单晶正极中，情况却截然不同。研究团队通过分别测试镍钴电池与镍锰电池发现，锰元素会对电池造成更严重的力学损伤，而钴元素反而能提升电池的耐用性。
阿贡国家实验室储能研究联盟主任孟祥雪表示，基于这些研究成果，不仅需要全新的设计策略，还需开发适配的新型材料。通过深入了解不同类型正极材料的老化机理，能够助力研发一系列高性能的正极材料。
不过，钴元素虽然具有优势，但成本高昂。王静提到，下一个亟待解决的问题是寻找低成本的替代材料，这种材料既要能复刻钴元素的稳定效果，又不能增加电池的生产成本。卡里尔・阿明也表示，技术进步是一个不断解决问题的过程，解决一个问题后，就要着手攻克下一个挑战。
据《自然・纳米技术》期刊报道，在电动汽车的普及高度依赖消费者对电池信任度、可靠性和性能认可的当下，这项研究成果为研发更安全、更耐用的电池提供了明确的技术方向。
