重新思考电池设计假设

对锂离子电池正极开裂的新认识

提高电池能量密度是推动电动汽车取代内燃机汽车的关键因素。消费者安全是另一个重要考量因素，尽管公众对火灾风险的认知往往高于实际情况。

耐用性同样至关重要。买家要求电池寿命超过十年——理想情况下甚至超过车辆本身的使用寿命——以保持车辆的残值并避免昂贵的更换成本。

“社会电气化需要每个人的贡献。如果人们不相信电池的安全性和持久性，他们就不会选择使用电池。”

哈利勒·阿明——阿贡国家实验室杰出研究员

为了满足这些标准，业界正在从多晶富镍材料（PC-NMC）转向单晶富镍层状氧化物（SC-NMC）。

此次改进旨在减轻导致阴极随时间推移而开裂的纳米级应变。此前，单晶阴极的设计一直沿用之前用于多晶阴极的假设。

然而，阿贡国家实验室、布鲁克海文国家实验室和芝加哥大学的研究人员发现，这两种阴极类型的裂纹方式从根本上来说是不同的，这为新的优化策略铺平了道路。

他们将研究结果发表在《自然纳米技术》杂志上。¹，标题为“单晶电池正极中的纳米级应变演化“。

为什么阴极裂纹是主要失效机制

多晶裂纹

在多晶阴极中，材料由多个纳米级晶体组成。随着电池的充放电，这些颗粒会膨胀和收缩。

这种反复运动会拓宽分隔多晶体的晶界，从而产生裂纹。如果裂纹过宽，电解液就会渗入颗粒内部——类似于水的冻融作用在城市街道上形成坑洼。

来源: 自然

当这种膨胀超过弹性极限时，阴极就会开裂。最严重的情况下，这会导致热失控和起火。更常见的情况是，随着时间的推移，它会降低电池的充电容量，导致性能下降。

“通常情况下，它会发生大约 5% 到 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。”

王静——阿贡国家实验室博士后研究员

由于单晶阴极晶粒之间没有边界，因此不会出现这种特定的失效模式。然而，电池性能衰减仍然存在。

单晶阴极的独特特性

为了研究这一现象，研究人员利用了多尺度同步辐射 X 射线技术和高分辨率透射电子显微镜。

来源: 自然

在多晶正极材料中，钴有助于缓解锂/镍无序（镍离子迁移到锂层中），但同时也是已知的开裂因素之一。传统做法是添加锰来平衡这个问题。

阿贡的研究人员发现，在单晶阴极中，情况恰恰相反：锰在机械性能上更具破坏性，而钴实际上有助于延长电池寿命。

“当人们尝试过渡到单晶阴极时，他们一直遵循着与多晶阴极类似的设计原则。

我们的研究表明，单晶颗粒的主要降解机制与多晶颗粒不同，这导致了它们不同的成分要求。

王静——阿贡国家实验室博士后研究员

该研究表明，反应异质性会导致应变。 中 晶体内部而非晶体之间会发生裂纹。晶体的不同区域反应速率不同，产生内部应力，最终导致裂纹的形成。

来源: 自然

这项发现将如何改进下一代电池

钴比镍或锰更贵，而且其生产过程存在道德问题，这促使业界努力减少钴的使用。

“通过识别这种以前未被重视的机制，这项工作建立了材料成分和降解途径之间的直接联系，从而更深入地了解这些材料性能衰减的根源。”

刘同超——阿贡国家实验室化学家

下一步是将这些研究成果应用于寻找不含钴的材料，以降低开裂风险并保持成本效益。

结语

改进正极材料是提升锂电池性能的关键步骤。对于新型的无负极设计而言，这一点尤为重要，因为正极效率至关重要。

这项创新为优化单晶阴极设计提供了一个新的理论框架。理想情况下，它将带来一种不含钴的替代方案，从而显著降低开裂风险并降低成本。

对于像 QuantumScape 这样不依赖特定正极材料的电池开发商而言，此类技术进步尤为重要。由于其无负极平台支持多种正极材料，因此他们可以快速集成这些高可靠性的单晶设计，从而在不重新设计其核心固态技术的情况下延长电池寿命。

电池公司

量子景观

相当一部分消费者仍然对大多数电动汽车的续航里程和充电速度持怀疑态度。传统锂离子电池的起火风险也令人担忧。

固态电池通过用固体电解质代替液体电解质，提供了一种理想的解决方案，从而消除了火灾风险并大幅提高了能量密度。

QuantumScape 的创新之处在于其无阳极设计。这种设计使其能够集成多种阴极材料，从而使公司能够受益于未来阴极制造和设计技术的进步。

来源: 量子景观

经过多年实验室的缓慢发展，固态电池终于从充满希望的原型走向大规模生产，并集成到商用车辆中。

2025 年，QuantumScape 与大众汽车合作，在 Ducati V21L 电动摩托车上首次推出了其电池，这标志着该公司发展历程中的一个重要里程碑。

来源: 量子景观

QuantumScape 的设计在几乎所有指标上都明显优于锂离子电池：

• 只需 15 分钟即可充电（45 ºC 时充电量为 10-80%）。
• 取代液态电解质的隔膜是不可燃且不可燃的。
• 其电池的能量密度为 844 Wh/L 和 301 Wh/kg。
• 以供参考， 特斯拉4680电池的能量密度为643 Wh/L和241 Wh/kg，比亚迪Blade电池的能量密度约为375 Wh/L和160 Wh/kg。.

大众汽车的电池子公司 PowerCo 将在未来两年内，在 QuantumScape 达到某些里程碑后，向其提供高达 131 亿美元的新付款，这表明该集团致力于固态技术。

（你可以 请阅读我们专门的投资报告，了解更多关于 QuantumScape 的信息。.)

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参考研究

^{1王杰、刘涛、黄伟 et al. 单晶电池正极中的纳米级应变演变。 纳特 纳米技术。 （2025）。 https://doi.org/10.1038/s41565-025-02079-9}