为了让电池使用更久，科研人员正从内部结构入手，设法减缓材料的降解速度。许多锂离子电池在长期反复充放电后失效，关键原因之一就是正极或负极颗粒内部产生裂纹，最终导致性能衰退。

斯坦福大学 Precourt 能源研究所与美国能源部 SLAC 国家加速器实验室联合成立的 SLAC-斯坦福电池中心的团队，提出了一种简单的工艺调节方法，用来解决富镍层状氧化物正极材料的结构问题。这类正极广泛用于数据中心和电网级储能等场景，对高性能和长寿命要求极高。

研究人员发现，只需在正极制造过程中调整加热曲线——先缓慢升温，再快速加热——就能在纳米尺度上获得更均匀的正极微观结构。与传统工艺制备的材料相比，这种结构在循环过程中不易产生裂纹和结构崩塌。

在这种新工艺下制备的正极材料，对应变和开裂表现出更强的抵抗力。电池在经过 500 次充放电循环后，仍能保持接近 93% 的初始能量。

斯坦福 Precourt 能源研究所及 SLAC-斯坦福电池中心主任 William Chueh 表示：“这一能量保持水平已经接近我们在同类电池中能找到的最佳指标。我们的团队找到了在不增加额外制造步骤和成本的前提下，延长电池寿命的办法。”

相关成果已发表在《自然能源》（Nature Energy）上，有望为无需额外化学添加剂或表面涂层的长寿命锂离子电池提供新思路。

论文第一作者之一、斯坦福与 SLAC 的博士后研究员 Donggun Eum 说：“有时候，最简单的调节反而最有效。通过精确控制加热步骤，我们在不改变材料化学组成的情况下，就显著提升了电池的稳定性。”

另一位共同第一作者、前斯坦福研究生 Hari Ramachandran 补充道：“业界普遍认为这个问题必须依赖昂贵的解决方案。但我们展示了，只用最基础的原料、在不增加成本和工艺复杂度的情况下，也能做出更好的电池。”

找到合适的熔化速率

在制备某些层状氧化物正极时，研究人员通常会将氢氧化锂与富镍过渡金属氢氧化物前驱体颗粒加热，使其熔合并发生固相反应。然而，在传统的缓慢熔化工艺中，随着材料逐步连接和反应，正极颗粒内部往往会形成不均匀的微观结构。

Eum 解释说：“如果颗粒内部不同区域的反应进程不一致，那么在电池充放电时，某些区域会承受更大的机械应力，更容易产生裂纹甚至断裂。”

此前有研究团队尝试通过掺杂或表面涂层来稳定颗粒，以缓解这种结构不均匀带来的问题，但这些方法不可避免地增加了生产成本和工艺步骤。

SLAC-斯坦福团队则选择从工艺参数入手，而不是改变材料配方。他们通过提高加热速率，促使更多氢氧化锂在合适的阶段熔融，从而让各组分之间的反应更加均匀。

为实时观察这一过程，团队与美国能源部布鲁克海文国家实验室国家同步辐射光源 II（NSLS-II）的研究人员合作，利用透射 X 射线显微镜对反应过程进行成像。

在 SLAC 的斯坦福同步辐射光源（SSRL），研究人员又借助 X 射线吸收光谱和 X 射线衍射技术，跟踪正极材料在合成过程中的化学状态和晶体结构变化。实验数据清晰展示了在不同加热条件下，锂化过程以及层状结构随温度升高的形成与演变。

他们发现，先以较低速率缓慢加热数小时，可以让前驱体材料充分分解并逐步释放水分，从而避免在颗粒内部形成多孔结构。随后再提高温度，使氢氧化锂熔融并更充分地渗透和反应，最终在颗粒内部形成更加均匀的微观结构。

接下来，团队计划将这一加热策略推广到工业规模的炉窑中验证其可行性，并尝试将该方法应用到其他类型的正极材料体系上，以此建立一套可推广的合成工艺设计规则。