众所周知，在适当的条件下，固体会直接升华变成蒸汽。升华正是彗星飞过太阳时形成彗尾的原因。随着彗星冰壳的升温，冰会立即变成蒸汽，而不是先融化成液态水。

据外媒报道，美国能源部太平洋西北国家实验室（PNNL）的科学家们从大自然的规律中汲取了灵感，发现氧化锂（Li2O）升华产生的蒸汽与富含镍的前体混合时，会加速形成单晶的化学反应。相关研究发表于期刊《Nature Energy》。

图片来源： 期刊《Nature Energy》

此外，升华只需一个大气压即可发生，也就是海平面的日常压力。单晶电池材料被认为可以延长电池的使用寿命。

“这项发现提供了一种可能更快、更高效、更经济的方法来扩大富镍锂离子电池的生产规模，这项研究向我们展示了如何应用材料科学来简化制造工艺。”论文合著者、巴特尔研究员Jie Xiao说道。Jie Xiao同时受聘于太平洋西北国家实验室（PNNL）和华盛顿大学。

镍的前景

制造电池材料有点像烘焙：将合适的成分混合，加热，就能产生新的东西。对于电池，研究人员寻找电池正极和负极（有时分别称为阴极和阳极）的材料。正极通过接受离子和电子来工作，从而产生电流，为手电筒、笔记本电脑、手机，甚至汽车和数据中心等设备供电。

随着对可充电电池设备的需求不断增长，科学家们一直在寻找能够储存更多能量、使用寿命更长的材料。Xiao教授表示，传统的锂离子电池受到成本和能量限制。为了降低成本，通常会将更便宜的镍和锰与钴混合到电池材料中。

最近，包括Xiao教授的西北太平洋国家实验室（PNNL）团队在内的研究人员一直在研究如何以经济高效的方式将更多镍元素添加到电池正极材料中。镍比钴能够储存更多能量，因此增加锂离子电池中的镍含量可以提高材料的成本效益。镍还可能有助于降低正极生产规模化的成本。

Xiao教授表示，尽管镍有诸多优势，但其应用仍面临挑战。富含镍的锂正极材料往往形成被称为“多晶”的聚集体，就像一块塞满巧克力碎的饼干。随着电池的充放电，晶体之间的边界——就像饼干和巧克力碎之间的边界——会变得越来越弱。随着时间的推移，这些薄弱环节会导致电池开裂，从而降低电池性能并缩短其使用寿命。

“你可以想象所有这些微小颗粒聚集在一起，在电池充放电过程中，它们会受到推拉，”Xiao表示。“这种运动会造成裂纹，从而削弱电池。”

在过去的五年里，Xiao及其同事一直在寻找能够形成单晶结构的材料，就像一块普通的巧克力饼干。巧克力仍然存在，但它均匀地分布在饼干中，而不是成团地堆积在一起。

“单晶正极不存在多晶结构带来的脆弱性，”Xiao表示。“因此，我们希望单晶能够缓解并最终消除富镍正极材料面临的所有重大挑战。”

升华之谜

过去几年，Xiao的团队一直在探索行业合作伙伴Albemarle Corporation提供的不同锂盐。将这些盐成分（或前驱体）与富镍前驱体混合，即可生成正极材料。最常见的生产方法之一是熔化锂盐，然后使其与富镍前驱体发生反应。对于这一工艺，研究人员首选氢氧化锂（LiOH），因为它的熔点较低。

相比之下，Li2O的熔点高达1438℃，因此很少用于阴极材料的合成。然而，Xiao表示教授在PNNL的材料合成实验室进行Li2O实验时，却发生了意想不到的事情：在900℃左右的温度下，将富镍前驱体与Li2O混合，很容易就形成了单晶阴极材料。

Xiao教授和她的同事反复重复这一反应，试图找出其中的机理。最终，他们找到了行业合作伙伴Thermo Fisher Scientific，后者在一种名为微反应器（MicroReactor）的仪器下研究了这一反应。凭借这些观察结果和新设计的实验，该团队成功揭示了升华现象。

这项新研究证实，该反应机制是由Li2O升华驱动的。在烘焙场景中，这就像将饼干面团与蒸汽巧克力结合在一起。当你把饼干切成两半时，你会发现没有巧克力块，只有一块没有明显边界的巧克力饼干。

“蒸汽可以渗透到任何地方，直接进入其他前驱体的孔隙或表面，并立即发生反应，”Xiao说道。“在这些蒸汽的存在下，单晶的形成速度要快得多。”

该团队进一步利用Li2O升华现象，只需通过混合加热过程，即可将废旧多晶直接转化为单晶。新单晶的成功生成表明，Li2O盐显著简化了废旧多晶的回收利用流程。Xiao教授表示，特别是对于生产线上的废料，这种盐成分可以快速将其“重塑”成高性能单晶。

此外，无论是来自新鲜前驱体还是废旧多晶，这些新的单晶都能经受1000次充放电循环，这意味着它们能够长期保持稳定。

这项发现节省了时间和能源，再加上Li2O衍生单晶的高性能，为制造单晶提供了一种新方法。然而，Xiao教授表示，在实际生产电池之前，团队还有许多工作要做。由于Li2O在材料合成中的应用并不广泛，目前将其商业化的成本过高。不过，Xiao教授指出，Li2O很容易通过加工其他锂盐（例如LiOH）来生产。

Xiao教授及其团队正与行业合作伙伴合作，努力以更低的制造成本扩大该工艺的规模。该团队希望在2026年向其战略合作伙伴提供单晶。