记者7月30日从中国科学院金属研究所获悉，该所研究员王春阳团队借助原子级超分辨透射电子显微成像技术，给电池材料钴酸锂拍下一张张“逐原子特写”，首次捕捉到钴酸锂正极在5V极端高电压下“受内伤”的全过程。这一发现突破了常规工况下传统电池失效理论，为研发长寿命、高电压电池正极材料奠定了理论基础，相关成果近日发表于《美国化学会志》。
钴酸锂是目前消费类锂离子电池中应用最广泛、最成熟的正极材料。当前，商业化钴酸锂充电电压普遍为4.4V左右，若将工作电压提升至5V，材料有效储能可提升近50%，能够有效满足智能手机、笔记本电脑、智能穿戴设备及无人机等电子产品对长续航、高容量的迫切需求。但超高电压会加剧钴酸锂结构劣化，导致电池性能快速衰减。但是，其失效机制缺乏科学解释，成为目前制约高比能电池技术迭代的核心科学问题。
传统上，科研人员将钴酸锂高压失效归因于表面氧流失及与之相关的传统结构相变，相当于将材料退化视作“表层晒伤”。
依托原子分辨率透射电子显微镜这一“超级放大镜”，王春阳团队对5V高压充电过程中的钴酸锂材料开展了精细的原子尺度诊断。研究表明，极端高电压下的正极失效并非仅因为表面氧流失和传统相变，材料内部应力诱发的晶格变形损伤才是核心。
锂离子电池充电时，锂离子会从钴酸锂中跑出来，这一过程就是“脱锂”，而5V这种极端高压会导致深度脱锂。深度脱锂产生的巨大电化学应力，会驱动原本规整有序的层状晶格发生剪切滑移，就像整齐排列的扑克牌被横向推散重构，最终形成“纳米马赛克”结构。此时，晶格弯曲、扭折等多重变形同步产生，诱发大量纳米级微裂纹。
更致命的是，在电池循环过程中，晶格变形与表面失氧耦合发生，在材料表面形成了此前从未被发现的多层“夹心式”退化结构，这既阻碍了锂离子传输，又加剧了应力集中，从而形成材料退化的恶性循环链。
基于这一全新机理认知，团队提出“力学+化学”双管齐下的协同优化新思路。团队在晶格中引入镁离子掺杂，为晶体骨架加装刚性支撑，有效提升晶格抗变形能力；在表面引入含硫修饰层，稳固材料表面的氧骨架。
验证结果表明，在5V高压下循环10圈后，普通商用钴酸锂容量保持率仅为67.73%，即电池还能保留67.73%的初始容量；而改性材料的容量保持率提升至83.93%。同时，马赛克相变、堆垛缺陷及微裂纹等被显著抑制，充分验证了力学—化学协同调控策略对突破高压电池性能瓶颈的有效性。
该研究首次从原子尺度揭示了极端高电压工况下钴酸锂的结构失效起源，拓展了层状正极材料的失效理论，为下一代高比能层状氧化物正极材料的结构设计和性能优化提供了新的理论依据和技术方案。
