江蘇
想讓手機少充幾次電、筆記本電腦多撐幾個小時、無人機飛得更遠，電池正極材料必須釋放出更多能量。
鈷酸鋰是消費電子電池中最重要的正極材料之一，而把它的充電電壓從目前商用的約4.4V提升到5V，被認為是打開高能量密度電池大門的關鍵一步。
然而，5V也是鈷酸鋰面臨的“極限考場”：電壓越高，能量潛力越大，材料承受的結構壓力也越強。它究竟會在哪里先“扛不住”，又會如何從內部走向失效？這個問題此前一直無解。
近日，中國科學院金屬研究所王春陽團隊借助原子級超分辨成像技術，給材料內部拍下一張張“逐原子特寫”，首次完整捕捉到鈷酸鋰在5V極端電壓下的全程“內傷演變圖譜”。這項發現發表于《美國化學會志》，徹底刷新了我們對電池失效的傳統認知。
傳統認知只看到“皮外傷”，新發現揪出了“全身筋骨錯位”
過去，科學家普遍認為高壓下鈷酸鋰失效主要是表面氧跑掉，然后表面發生相變（結構重排），像皮膚曬傷脫皮一樣。但這次研究發現，真正的“致命傷”來得更早、更深：
當電壓沖到5V時，鈷酸鋰的整個晶體骨架并非靜止不動，而是像一塊被猛烈扭曲的金屬板——全域晶格變形率先爆發。具體來說：
·面內剪切變形：把原本整齊排列的層狀結構（O3型）攆碎成由O3、O1和反向O3組成的納米馬賽克結構，同時產生亞納米級的孿晶、三角堆垛等復雜缺陷——好比一副整齊的撲克牌被推成歪歪扭扭的“亂碼堆”。
·?非剪切變形：局部晶格像波浪一樣彎曲、扭折，直接誘發晶內微裂紋萌生。這些變形一旦被“凍結”在材料中，就再也無法恢復。
更關鍵的是，這些力學變形與晶格失氧相互“勾結”，在表面形成一種多層“夾心式”退化結構——這層“夾心”既阻擋鋰離子重新嵌入，又加劇應力集中，最終啟動加速失效的鏈條：
電化學反應產生應力 → 晶格整體變形 → 相變、裂紋、失氧同時上演 → 容量跳水
換句話說，高壓下鈷酸鋰不是“慢慢磨損”，而是“筋骨先扭傷，然后皮肉潰爛”，兩者互相放大，導致快速衰亡。
對癥下藥：給鈷酸鋰裝“骨架支撐”和“表面防曬”
看清了病灶，團隊隨即提出協同調控策略：
·?“支柱型”摻雜：在晶格中引入鎂（Mg）離子，像給大樓加裝鋼支撐，增強層狀骨架抵抗變形的能力；
·?含硫物種表面穩定：用硫元素穩住近表面氧結構，相當于給材料涂上“防曬膜”，抑制失氧和表面退化。
驗證結果非常亮眼：普通商業鈷酸鋰在5V高壓下循環10圈后容量只剩67.73%，而Mg/S共摻雜的樣品容量保持率飆升到83.93%，同時馬賽克相變、堆垛缺陷和微裂紋都明顯被抑制。
意義不止于鈷酸鋰
這項研究首次將正極材料失效的“元兇”從表面化學擴展到體相力學，提醒所有電池材料研究者：超高電壓下，力學穩定性與化學穩定性同等重要。這一新視角不僅為下一代高壓鈷酸鋰優化指明方向，也為所有層狀氧化物正極材料提供了通用的設計思路。
簡單說，未來更耐用、更長壽的高壓電池，很可能就源于這次“看清內傷”的突破——而我們的手機、筆記本、無人機，或許因此能再“多扛幾年”。
來源：中國科學院金屬研究所
聲明：版權原作者所有，如有侵犯您的權益請及時聯系，我們將第一時間刪除。
特別聲明：以上內容(如有圖片或視頻亦包括在內)為自媒體平臺“網易號”用戶上傳并發布，本平臺僅提供信息存儲服務。
Notice: The content above (including the pictures and videos if any) is uploaded and posted by a user of NetEase Hao, which is a social media platform and only provides information storage services.
