文 | 钱钱

编辑 | 阿景

最近电动车圈儿都在聊一个事儿工程师们搞了好多年的单晶锂离子电池，本想解决老电池容量衰减快、时不时还闹安全隐患的毛病，结果弄出来发现，哎，效果还不如预期。

这事儿让不少人挠头，好好的研发咋就卡壳了呢？

现在的电动车电池确实挺让人操心的。

你买辆车，开两年续航掉一截，冬天不敢开暖风，夏天不敢开空调，谁受得了？工程师们也是看在眼里急在心里，琢磨着从电池材料下手，彻底解决这问题。

单晶锂离子电池就是这么被提出来的，听着就挺厉害"单晶"，多纯粹，想着肯定比原来的多晶材料靠谱。

本来以为这玩意儿一出来，电动车电池寿命能翻番，安全隐患也能降成零。

结果呢？实验室数据出来，不少人傻眼了，稳定性没上去，有时候甚至还不如老的多晶电池。

这就奇了怪了，按道理说，单晶材料没那么多晶界，不该那么容易坏啊？

就在大家都懵圈的时候，芝加哥大学和阿贡国家实验室的一群人站出来了。

他们捣鼓了半天，说这事儿的关键，可能咱们从一开始就想错了。

他们的研究结果一出来，直接把以前的认知给颠覆了。

这单晶电池到底咋回事，还有那个被嫌弃了好久的钴元素，怎么突然就成了破局的关键。

单晶电池的"小心思"和它的"小脾气"

要说单晶电池，先得说说老伙计多晶正极材料。

以前的电池正极，就像用小石子堆起来的，一堆微小的晶粒挤在一起，中间全是缝缝（也就是晶界）。

你别小看这些缝，问题就出在这儿。

电池充电放电的时候，这些小晶粒会膨胀收缩，幅度还不小，能到5%-10%。

想象一下，你家墙面要是天天这么胀缩，不出半年就得开裂。

电池里的晶粒也一样，来回折腾，晶界那儿就容易出裂纹。

裂纹一出来，电解液就顺着缝往里渗，跟里面的材料起反应，容量不就衰减了？严重的时候还可能短路，那可不就有安全隐患了。

工程师们一想，既然晶界是麻烦制造者，那咱把晶粒做成一整块大的，不就没晶界了？这就是单晶材料的思路。

理论上，这招应该能解决开裂问题，电池寿命和安全性都得往上冲。

可实际一测试，新问题来了，单晶电池循环几次后，容量掉得更快，有时候还会出现局部过热。

你猜怎么着？芝加哥大学那伙人用了些高科技手段同步辐射X射线和高分辨率透射电子显微镜，跟给电池做了个"CT+显微镜"，这才发现了症结。

原来单晶材料虽然没了晶界，可它内部不是铁板一块，不同区域的反应速度不一样。

就好比你煮一锅粥，火开太大，锅底糊了，中间还没熟，上面还是生米。

单晶颗粒充电时，有的地方锂离子进得快、膨胀得厉害，有的地方进得慢、没咋膨胀。

这一来，颗粒内部就像被人往不同方向拽，硬生生扯出内应力。

时间长了，内部就会出现微小裂纹，电解液照样能渗进去捣乱。

这可不就白费劲了？

被嫌弃的钴元素，原来藏着"大招"

说到电池里的钴元素，以前大家对它的印象可不太好。

贵就不说了，主要产地刚果（金）那边，时不时爆出环境问题、人权问题，搞得电池厂商都想把它踢出去，换成便宜又"干净"的镍和锰。

传统思路里，镍负责提供能量密度，让电池能存更多电，钴就起个稳定结构的作用，没啥存在感，锰呢，主要是来凑数降成本的。

所以工程师们设计单晶电池的时候，自然而然就想着，既然要优化，那就少用点钴，甚至不用！多加点镍，能量密度不就更高了？

结果呢？钴元素一减，单晶电池的脾气更坏了衰减更快，稳定性更差。

这时候大家才后知后觉，哎？难道钴元素不是可有可无的？

芝加哥大学的研究团队也纳闷，干脆做了个极端对比实验，一组单晶材料用镍和钴搭配，另一组用镍和锰搭配。

测试下来，差异大了去了。

用锰的那组，循环没几次就出现明显的内部裂纹，容量掉得飞快，用钴的那组，反而扛住了，循环稳定性好了不少。

这就有意思了，钴元素咋突然就"支棱"起来了？研究发现，关键在它的电化学行为。

钴和镍的"脾气"比较像，锂离子进出的时候，它俩膨胀收缩的节奏差不多，不会一个快一个慢。

这样一来，单晶颗粒内部的反应就比较均匀，内应力小，自然就不容易开裂。

反观锰元素，跟镍的"步调"差太远了。

锂离子进来的时候，锰这边反应快，一下子就膨胀起来，镍那边还没动静，这不就把颗粒内部扯得乱七八糟？以前用多晶材料的时候，晶界虽然容易开裂，但也能分散点应力，所以锰的问题没那么明显。

现在换成单晶，没了晶界缓冲，锰的"坏脾气"就全暴露出来了。

搞了半天，以前嫌弃钴元素是"累赘"，现在才发现，它在单晶电池里简直是"定海神针"。

这角色反转，估计连最早设计电池材料的人都没想到。

现在回头看这事儿，挺有意思的。

工程师们本来想走条"捷径"，结果发现绕了个弯。

单晶电池的困境，说到底是咱们对材料的认识还不够深。

以前觉得晶界是麻烦，就想着一刀切去掉，没考虑到材料内部还有更复杂的"小九九"。

芝加哥大学和阿贡国家实验室这波研究，不光是解开了单晶电池的失效之谜，更重要的是提醒大家，搞技术创新，不能想当然。

有时候你以为的"问题"，可能是另一个问题的"答案"，你想淘汰的东西，说不定藏着关键作用。

当然了，钴元素的问题还在那儿贵，产地问题也没解决。

接下来工程师们的活儿又来了，怎么在保留钴元素优点的同时，想办法减少用量？或者找个脾气跟钴差不多、价格又便宜的替代品？稀土元素？过渡金属组合？这都是接下来要啃的硬骨头。

不过不管咋说，这事儿也算给电池研发指了个新方向。

至少咱们知道，单晶电池不是不行，而是以前的设计规则没摸对门路。

把钴元素的作用搞清楚了，再优化优化材料配比，说不定过两年，真正靠谱的单晶锂离子电池就来了。

到时候电动车续航不衰减，安全隐患也没了，冬天开暖风夏天开空调，那才叫爽呢！

科学这东西就是这样，有时候前进一大步，得先搞明白自己在哪儿走了弯路。

单晶电池的故事还没结束，咱们等着瞧，说不定下一个突破就在眼前。