让电池“返老还童”！下一代锂电池研发中国方案“新鲜出炉”

来源：中国新闻网

中新网北京4月17日电 (记者 孙自法)现实生活中，热胀冷缩、电池反复充电使用会逐渐老化等现象都是众所周知，但周知中蕴藏的未知总是吸引科学家们关注和探索。

实现电池“返老还童”

最近，中国科研团队通过持续探索研究并联合中外合作伙伴发现，下一代锂电池高比容量富锂锰基正极材料在受热时会“收缩”，可以帮助老化的电池恢复电压，实现电池的“返老还童”，从而为开发更智能、更耐用的下一代锂电池提供了全新思路。

研究团队通过深入分析，揭示富锂锰基正极材料的受热收缩特性与电池工作机制之间的内在联系，并提出利用这一特性让老化电池恢复性能的创新方法。这一研究成果不仅为高比能电池技术的进一步发展提供了科学依据，还有望改变未来电池的设计和使用方式。

研究团队进行富锂锰基正极材料的电化学性能测试(从左到右：梁灏严博士，邱报副研究员，刘兆平研究员，顾可欣博士研究生)。中国科学院宁波材料所 供图

这项锂电池材料领域的突破性进展，由中国科学院宁波材料技术与工程研究所(宁波材料所)动力锂电池工程实验室研究团队与美国芝加哥大学等中外科研同行共同完成，相关研究成果论文以“电池材料的氧活性与负热膨胀性”为题，北京时间4月16日夜间在国际学术期刊《自然》上线发表。

《自然》期刊审稿人评价称，实现电池“返老还童”的研究成果，不仅推动电池领域基础科学进展，其原创性和普适性也为功能材料的设计提供了新的指导原则，具有重要的跨学科意义。

聚焦富锂锰基正极材料

论文通讯作者、中国科学院宁波材料所刘兆平研究员指出，要更大限度地提高电动汽车、电动航空器等的续航里程，就必须发展下一代高比能锂电池技术，因此，发展高比容量、高电压正极材料以提升锂电池的能量密度成为研究热点。

而富锂锰基正极材料具有氧阴离子氧化还原的额外容量，其放电比容量高达300毫安时每克(mAh/g)，远超目前商业化应用的磷酸铁锂和三元材料等正极材料，可直接将电池能量密度提升30%以上。同时，富锂锰基正极材料具有显著成本优势。所以，富锂锰基正极材料是公认的下一代锂电池正极材料方向，现已成为正极材料领域主要研究方向之一。

虽然富锂锰基正极材料拥有超高的放电比容量，但它作为一种氧活性正极材料，在实际使用中还存在一个严重的问题：经过多次充放电后，富锂锰基电池的电压会逐渐下降，出现所谓的“老化”现象。这使得富锂锰基电池目前仍然难以获得实际应用。如何让这种富锂锰基电池既保持高能量密度又能长期稳定工作，由此成为科学家们亟待解决的难题。

揭示“受热收缩”特性

如何有效解决这一问题？论文第一作者、中国科学院宁波材料所邱报副研究员介绍说，在本项研究中，研究团队揭示出富锂锰基正极材料的有趣性质：它在受热时反而收缩，即“负热膨胀”。

研究发现，对富锂锰基正极材料进行适当升温可以消除外部应力对材料结构的影响，使材料从无序状态恢复到更稳定、能量更低的有序结构。在这个过程中，该正极材料的原子排列变得更加紧密，导致体积缩小，从而表现出“受热收缩”的特性。特别是通过调节该正极材料的氧活性，可以灵活控制其热膨胀系数，使其在正、零、负之间切换。

富锂锰基正极材料及基于富锂锰基正极和硅碳负极的高比能锂离子电池(图中车辆为模型)。中国科学院宁波材料所 供图

这一发现不仅为量化富锂锰基正极材料的结构无序提供了新方法，还帮助研究团队设计出一种“零热膨胀”正极材料。这种新型正极材料在温度变化时几乎不会发生体积变化，有望解决因温度波动导致的锂电池寿命缩短等问题，为下一代高比能锂电池技术的发展提供了新的可能性。

研究团队还发展出一种新方法，可以通过电化学手段让老化的富锂锰基电池“返老还童”。这种方法利用了电化学和热化学驱动力的相似性，将富锂锰基正极材料从结构无序、不稳定的状态“重置”回接近原始的结构有序状态，就像让电池“恢复青春”一样。

材料设计“按需定制”

基于此，研究团队提出一种简单的修复策略：通过让富锂锰基电池在不充满电(如30%的电量)条件下持续循环数次后，可以使电池的平均放电电压恢复到接近100%，同时修复富锂锰基正极材料的结构损伤。这一发现为延长富锂锰基电池的寿命提供了新思路：通过智能调控充电策略，可定期修复富锂锰基正极材料的结构问题，进而显著延长电池的使用寿命。

本项研究中过渡金属和氧活性中心与材料的热膨胀性的关系示意图。中国科学院宁波材料所 供图

刘兆平表示，研究发现，材料结构的“混乱”和“有序”并非完全对立，而是可以相互转化。这就像硬币的两面，科学家们正在研究如何控制这种转化规律，从而在微观尺度上设计出更高效、更耐用的富锂锰基正极材料。

他透露，随着先进实验技术和人工智能的结合，材料设计正朝着“按需定制”的方向发展。未来，电动汽车、电动航空器等的锂电池不仅能够实现更长的续航能力，还可以通过这种“返老还童”手段实现超长寿命，使锂电池可以像“永葆青春”一样持续使用。(完)