盖世汽车讯 锂离子电池（LiBs）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。”

图片来源：期刊《Nature Nanotechnology (2026)》. DOI: 10.1038/s41565-026-02224-y

能重新分配机械应力的形状记忆涂层

大多数广泛使用的正极材料都会随着锂离子的嵌入和脱出发生膨胀和收缩，由此在晶界处产生内部应力，即材料内部晶体彼此接触的界面。这一过程在富镍层状氧化物中尤为明显，而这类材料被广泛用于制造高容量电极。

Qiang Liu解释道：“传统方法的目标是增强材料强度，提高其发生开裂的阈值，但并没有改变应力形成的基本机制。我们的方法有所不同。我们并不是让材料变得更硬，而是在特定位置让材料变得更柔软，以吸收并耗散体积变化产生的能量，从而防止应力集中和开裂。”

具体而言，Qiang Liu及其同事在正极活性材料颗粒表面沉积了一层极薄的聚合物。这层薄涂层就像减震器一样，可以分散应力，并容纳正极颗粒内部的形变。

Qiang Liu说道：“我们的应力去局域化策略（stress‑delocalization strategy），直击电池反复循环工况下失效的根本原因。为验证该策略的潜力，我们表征了这种柔性晶界界面在模拟电池循环及外部应力作用下的表现。研究发现，相较于未涂覆颗粒，涂覆颗粒可以更好地维持结构完整性，进而获得更优异的电化学性能与更长循环寿命，验证了我们的应力耗散设计思路。”

研究人员在多种广泛使用的正极材料上测试了这一方法，包括含不同镍含量的层状氧化物以及磷酸铁锂（LiFePO₄）。结果发现，这种涂层能够有效减少这些材料中的裂纹形成，从而提高其耐久性。

Qiang Liu表示：“我们的聚合物涂层并非简单地增强材料强度，而是在锂离子嵌入/脱出过程中，使晶界处的机械应力实现去局域化并得到耗散，从而减少裂纹的萌生和扩展。我们显著提升了电池性能。由于涂层能够在反复循环和高倍率运行过程中保持结构完整性，电池的循环稳定性和倍率性能均得到改善。我们还将研究结果与近期的大量文献进行了对比，结果显示，我们的涂层方案具有较强的竞争力。”

图片来源：期刊《Nature Nanotechnology (2026)》. DOI: 10.1038/s41565-026-02224-y

进一步改进和测试新型涂层

研究人员开发的新型涂层最终有望推动更长寿命、更高能量密度电池的发展。这类电池还能够实现更快充电，这对于电动汽车和电网储能设备尤其具有优势。

这种涂层背后的化学-机械（chemo-mechanical）原理也可能很快启发研究人员开发类似的应力保护层，以减少更广泛化学体系和成分的正极材料发生开裂。

Qiang Liu说道：“我们的研究结果为涂层设计和晶界工程带来了新的机遇，可以针对性地调控材料的机械韧性，从而有望提高安全裕度，并进一步优化不同电池技术的性能。作为未来研究的一部分，我们将扩展材料体系和工作条件，寻找并评估更多聚合物涂层，使其能够在更加严苛的条件下以及不同正极化学体系中保持有效。”

目前，Qiang Liu及其同事正计划设计具有更高形变容忍度、更高电压稳定性和更强热稳定性的新型聚合物及多层涂层。此外，他们还希望在更多种类的活性材料上测试这些涂层，包括富锂层状氧化物、钴酸锂以及其他高能量密度正极材料。

Qiang Liu称：“我们很快将把化学稳定性、机械缓冲和界面效应整合到一个统一的设计框架中，并通过实验和多尺度建模进行指导，从而建立用于开发稳健涂层的设计规则。此外，我们计划将应力去局域化理念应用于全固态电池（ASSBs），以改善界面接触，并降低实际堆叠压力下的开裂。这包括在关键界面——例如正极/固态电解质、负极/固态电解质界面——引入弹性聚合物中间层，以增强界面结合、容纳形变，并在Li⁺嵌入/脱出过程中分散应力。”

作为未来研究的一部分，研究人员计划在不同结构配置、采用不同类型电解质的全固态电池中评估该涂层的性能。测试将重点关注电池的界面阻抗、循环稳定性、安全性和热行为，目标是实现能够在更低压力下运行、同时保持机械完整性的高能量密度全固态电池。

最后，研究人员还将努力提高涂层的可规模化制造能力，确保其能够方便地应用于商用电池。他们将开发相应工艺，使电池制造商能够处理数百公斤活性材料，并以均匀、一致的方式完成涂覆。

Qiang Liu补充道：“我们计划与产业界建立合作关系，开展快速筛选、工艺-结构-性能关系研究以及经济性评估，为商业化提供指导。我们还将评估该技术与现有电池生产线的集成情况，并考虑良率、废料、环境影响和安全性。我们的总体目标是提供可用于产业化的涂层工艺和集成策略，推动应力去局域化涂层在高能量电池中的广泛应用，从而为电动汽车、电网储能和消费电子产品带来明确的应用价值。”