香港理工大学联合港科大研发仿软骨聚合物涂层借助应力去局域化抑制正极开裂延

盖世汽车讯 锂离子电池为电动汽车以及现有的大多数电子设备提供动力，应用范围从笔记本电脑、智能手机、平板电脑、智能家电到可穿戴设备。这类电池通过锂离子在两个电极——负极和正极——之间移动来实现充放电。

放电过程中，锂离子从负极移动到正极；充电过程中，则向相反方向移动。两个电极均以活性材料为基础，随着锂离子的嵌入和脱出，这些材料会持续发生化学和结构变化。

由于许多正极材料较为脆弱，随着时间推移不断累积的机械应力可能导致其发生开裂。这一过程会降低锂离子电池的性能，使其能量容量逐渐衰减。

据外媒报道，近日，香港理工大学、香港科技大学及其他研究机构的研究人员设计出一种保护性纳米涂层，能够更加均匀地分散正极内部的应力，从而延缓或阻止微小裂纹的形成，而这些裂纹正是导致电池性能下降的原因之一。

研究人员在发表于期刊《Nature Nanotechnology》的一篇论文中介绍了这种新型涂层。该涂层本质上是一层极薄且柔性的聚合物层，能够在受到机械应力时发生形变，并随后迅速恢复原有形状。

论文共同通讯作者之一Qiang Liu在接受Tech Xplore采访时表示:“这项工作的主要灵感来自先进电池材料长期存在的一个问题:富镍层状氧化物的性能衰减。这些材料有望为锂离子电池和下一代固态电池提供高能量密度，但由于容易产生微裂纹，它们往往会随着时间推移发生性能退化，从而缩短电池寿命。2019年，我们在期刊《Nature Energy》上发表了一篇论文，报道通过自建的CVD工艺在晶界处施加聚合物涂层可以抑制开裂，但其背后的机制仍未得到解决。”

Qiang Liu及其同事发表早期论文后，一些储能材料研究人员开始思考:在电极材料中对晶界进行涂覆，除了保护表面之外，究竟为何还能防止电池内部发生性能衰减。这一问题促使Qiang Liu进一步研究导致脆性正极材料发生退化的机械因素。

Qiang Liu说道:“疫情期间，我开始徒步旅行，剧烈运动导致膝盖疼痛，于是我开始服用一些软骨补充剂。这一经历启发我研究软骨如何分散和管理应力，从而防止在反复载荷作用下发生损伤。这一类比让我想到，晶界涂层可能充当一种机械缓冲层，就像软骨在关节中分散应力一样，将应力分散到颗粒内部。我和团队——尤其是博士生Yutong Qiang Liu以及我的导师Guohua Chen教授——设计了一种聚合物结构来验证这一想法。大量实验和表征结果越来越支持这一假设，表明这种涂层能够充当应力耗散缓冲层，抑制电池运行过程中的动态开裂。”