最新回春术！电池界的“天山童姥”即将诞生

人阅读 2025-04-21 11:08:06电池

4月17日，中国科学院宁波材料技术与工程研究所动力锂电池工程实验室研究团队在《自然》期刊发表最新研究成果：他们发现下一代锂电池的核心材料——富锂锰基正极材料，拥有“遇热收缩”的反常特性，甚至能让老化的富锂锰基电池“返老还童”。

遇热收缩，破译长寿密码

富锂锰基正极材料放电比容量高达300mAh/g，可直接将电池能量密度提升30%以上，加具有显著成本优势，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。但在实际使用经过多次充放电后，富锂锰基电池的电压会逐渐下降，出现“老化”现象。

研究团队首次观察到富锂锰基材料在150–250℃温度区间内受热时晶格收缩的反常现象，即负热膨胀效应。升温可消除材料内部应力，促使无序结构恢复为紧密有序状态，类似于“弹簧复位”，材料内部的晶体结构就会恢复到最初的原始状态。这种特性源于氧活性调控的晶格重排机制：氧框架结构无序在加热条件下可逆转变为动态有序，从而缩小晶胞体积。

团队通过调节氧活性容量贡献比（γ），建立了热膨胀系数（α）与氧活性的定量关系：α ≈ -0.463γ × 10 K¹。基于此，设计出“零热膨胀”正极材料，其体积几乎不随温度变化，解决了温度波动导致的电池寿命问题，实现电池的“返老还童”。

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技术与工程研究所供图

循环充放，电池焕发新生

此外，由于电池在实际使用中无法进行高温加热处理，研究团队还发现了一种通过电化学手段让老化的富锂锰基电池“返老还童”的方法，利用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。

研究团队提出“电化学退火”模型，利用电化学驱动力将老化材料从无序态“重置”回有序态。有趣的是，材料结构的“混乱”和“有序”可以相互转化的。通过智能充电策略（如30%电量循环数次），可修复晶格氧重构和过渡金属迁移引起的结构损伤，使放电电压恢复至初始水平的95%以上。这一过程模拟了热驱动的结构修复，但无需外部加热装置。

实验表明，优化后的富锂锰基电池充放电循环次数超过1000次，使用寿命延长至8–10年，是现有体系的两倍以上。通过定期低电压浅充循环，电池管理系统可自主触发修复机制，显著延缓容量衰减。

两种新方法中，对于“零热膨胀”正极材料，中国科学院宁波材料所研究员刘兆平说：“现在我们已经跟相关的下游的电池企业进行合作推进，希望开发出这种相应的电池管理系统。如果开发出来，应该三五年之后就可以规模化了。”

而关于有序和无序之间的转化，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。两种发现不仅揭示了该材料的工作机制，更为研发更耐用、可自我修复的下一代锂电池提供了全新方向，届时为电动汽车、电动航空等领域将实现革命性突破。