研究揭示极端条件下电池材料失效机制

极端高电压下钴酸锂原子尺度失效机制的示意图。

本报讯（记者张楠 通讯员刘言）钴酸锂是消费电子电池中最重要的正极材料之一，把它的充电电压从目前商用的约4.4伏特（V）提升到5V，被认为是打开高能量密度电池大门的关键一步。借助原子级超分辨成像技术，中国科学院金属研究所研究员王春阳团队给材料内部拍下一张张“逐原子特写”，首次完整捕捉到钴酸锂在5V极端电压下的全程“内伤演变图谱”。这项发现日前在线发表于《美国化学会志》，刷新了学界对电池失效的传统认知。

研究发现，当电压达到5V时，钴酸锂的整个晶体骨架并非静止不动，而是像一块被猛烈扭曲的金属板——全域晶格变形率先爆发，包括面内剪切变形，好比一副整齐的扑克牌被推成歪歪扭扭的“乱码堆”；此外还出现非剪切变形，局部晶格像波浪一样弯曲、扭折，直接诱发晶内微裂纹萌生。

更关键的是，这些力学变形与晶格失氧相互“勾结”，在表面形成一种多层“夹心式”退化结构。这层“夹心”既阻挡锂离子重新嵌入，又加剧应力集中，最终启动加速失效的链条。

看清“病灶”后，团队提出协同调控策略：支柱型掺杂，即在晶格中引入镁离子，像给大楼结构加装钢支撑，增强层状骨架抵抗变形的能力；含硫物种表面稳定，即用硫元素稳住近表面氧结构，相当于给材料涂上“防晒膜”，抑制失氧和表面退化。

验证结果显示，普通商业钴酸锂在5V高压下循环10圈后容量只剩67.73%，而镁/硫共掺杂的样品容量保持率飙升到83.93%。

这项研究首次将正极材料失效的“元凶”从表面化学扩展到体相力学，说明在超高电压下力学稳定性与化学稳定性同等重要。这一新视角不仅为下一代高压钴酸锂优化指明方向，也为所有层状氧化物正极材料提供了通用的设计思路。

相关论文信息：https://doi.org/10.1021/jacs.6c04958

主题：钴酸锂