原子尺度“特写”捕捉电池“内伤”全过程

中国科学院金属研究所王春阳研究员团队5月24日宣布，利用原子级超分辨透射电子显微成像技术，首次从原子尺度揭示了钴酸锂正极在5伏极端高电压下的失效过程，为高电压、长寿命电池的研发提供了理论基础。

据中国科学院金属研究所消息，该所王春阳研究员团队借助原子级超分辨透射电子显微成像技术，首次实现了对钴酸锂正极在5伏极端高电压下失效过程的原子级成像。这一技术相当于为电池材料“拍下”了一张张“逐原子特写”，从而清晰记录下其在高压下的“内伤”演变。

钴酸锂正极是锂离子电池的关键组成部分之一，而5伏的电压属于极端高电压范畴。在长期高电压工作条件下，正极材料内部会出现结构退化，导致电池性能衰减。

高电压下原子结构退化的可视化

研究团队通过原子级超分辨透射电子显微成像技术，首次从原子尺度捕捉到这一演化过程，具体包括：

• 在5伏高电压下，钴酸锂正极表面的原子排列开始出现局部紊乱。
• 随着电压持续作用，这种原子尺度的无序化逐渐向颗粒内部扩散。
• 最终形成不可逆的相变和裂纹，导致正极材料的电化学活性下降。

这一发现是首次从原子尺度揭示了高电压下正极材料失效的起始和传播机制。

对终端电子产品的潜在意义

手机、无人机、笔记本电脑、智能穿戴设备等终端电子产品的续航能力，长期受限于电池的能量密度和寿命。研发长寿命、高电压电池是提升这些设备续航的核心技术路径之一。

王春阳研究员团队的这项研究，通过实现对失效机制的原子级理解，理论上可为开发抑制这一退化的材料改性策略提供参考方向。这将有助于推动更高电压、更长循环寿命电池材料的研发进程。

技术背景：原子级超分辨透射电子显微成像

原子级超分辨透射电子显微成像技术是一种先进的材料表征手段，能够在原子尺度上对材料的晶体结构、缺陷和化学状态进行直接成像。此次研究中，该技术被用于直接观察电池正极材料在电化学循环过程中的实时结构变化。

5伏高压下钴酸锂失效机制被揭示 源于晶格变形而非表面氧流失

中国科学院金属研究所的一项最新研究首次从原子尺度揭示了极端高电压工况下钴酸锂的结构失效起源。该研究认为，极端高电压下的正极失效并非仅是表面氧流失和传统相变，材料内部应力诱发的晶格变形损伤才是核心。相关成果论文近日在国际专业学术期刊《美国化学会志》发表。

传统认知的局限性

业界公认，将锂电池充电电压提升至5伏超高平台，能大幅释放电池能量潜力。然而，5伏电压也是正极材料面临的极端工况极限。过去30年间，基于常规工况下的认知，学界普遍将钴酸锂高压失效归因于表面氧流失以及与之相关的传统结构相变，等同于将材料退化视作“表层晒伤”。

新机制：晶格剪切与“纳米马赛克”结构

研究团队使用原子分辨率透射电子显微镜对5伏高压充电过程中的钴酸锂材料进行精细诊断。具体而言，深度脱锂产生的巨大电化学应力，会驱动原本规整有序的层状晶格发生剪切滑移，如同整齐排列的扑克牌被横向推散重构，最终形成“纳米马赛克”结构。

所谓“纳米马赛克”结构，是指原本有序的层状晶格因应力作用发生剪切滑移，形成大量纳米尺度、取向杂乱的晶畴碎片，类似于马赛克瓷砖拼贴的凌乱图案。与此同时，晶格弯曲、扭折等多重变形同步产生，诱发大量纳米级微裂纹。

更关键的是，在电池循环过程中，晶格变形与表面失氧耦合发生，在材料表面形成此前从未被发现的多层“夹心式”退化结构，既阻碍锂离子传输，又加剧应力集中，形成材料退化的恶性循环链。

基于新机理的改性策略与验证

基于这一全新认识，研究团队提出“力学+化学”双管齐下的协同优化思路：在体相引入镁离子掺杂，为晶体骨架加装刚性支撑，有效提升晶格抗变形能力；在表面引入含硫修饰层，稳固材料表面的氧骨架。

实验数据验证了该策略的有效性。在5伏高压循环10圈后，普通商用钴酸锂容量保持率仅为67.73%，而改性材料的容量保持率提升至83.93%。研究团队表示，这一成效充分验证了力学-化学协同调控策略对突破高压电池性能瓶颈的有效性。

钴酸锂是目前消费类锂离子电池中应用最广泛、最成熟的正极材料。当前商业化钴酸锂充电电压普遍为4.4伏左右，若将工作电压提升至5伏，材料有效储能可提升近50%，但超高电压会剧烈加剧钴酸锂结构劣化，导致性能快速衰减。

研究团队介绍，该成果拓展了层状正极材料的失效理论，为下一代高比能层状氧化物正极材料的结构设计和性能优化提供了新的理论依据和技术方案。