▲視頻來源：中國科學院寧波材料技術與工程研究所

為了發展下一代高比能鋰電池技術，尋找高比容量、高工作電壓正極材料，提升鋰電池能量密度成為學界研究熱點。

日前，中國科學院寧波材料技術與工程研究所（以下簡稱寧波材料所）動力鋰電池工程實驗室，在下一代鋰電池高比容量富鋰錳基正極材料研究方面取得了突破性進展。

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“老化” 阻礙電池發展

富鋰錳基正極材料的放電比容量，遠超目前商業化應用的磷酸鐵鋰和三元材料等正極材料，可直接將電池能量密度提升30%以上。

同時，富鋰錳基正極材料具有顯著成本優勢。這使得富鋰錳基正極材料成為下一代鋰電池材料的發展方向。

但經過多次充放電后，富鋰錳基電池的電壓會逐漸下降，出現“老化”現象，這使得富鋰錳基電池目前難以實現商業應用。

究其原因，是作為正極的富鋰錳基材料中，氧離子位置發生變化，使得后續的還原反應變得滯后，在充電時注入的能量會超過放電時釋放的能量，使得部分能量未能有效釋放。

導致電池雖然顯示為“沒電”，但實際上仍有部分能量以晶格扭曲和結構無序的形式儲存在材料中。這使得富鋰錳基正極材料，處于一種類似于彈簧被壓縮或拉伸后的亞穩態，即雖然看起來穩定，但內部儲存了額外的能量，隨時可能釋放。

正是這種能量的過度儲存，導致了富鋰錳基電池性能使用壽命和效率大打折扣。

▲ 過渡金屬和氧活性中心與材料的熱膨脹性的關系示意圖

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新特性帶來新設計

寧波材料所的科研人員，揭示了富鋰錳基正極材料的一個“有趣”性質：在受熱時收縮，即“負熱膨脹”。

利用該特性，對富鋰錳基正極材料進行適當升溫，就可以消除外部應力對材料結構的影響，使材料從無序狀態恢復到更穩定、能量更低的有序結構。

通過調節正極材料的氧活性，可以靈活控制其熱膨脹系數，使其在正、零、負之間切換。基于新發現，團隊設計出了一種“零熱膨脹”正極材料。

這種新型正極材料在溫度變化時幾乎不會發生體積變化，有望解決因溫度波動導致體積變化，進而影響鋰電池壽命的問題，為下一代高比能鋰電池技術的發展提供了新的可能性。

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新辦法讓電池“返老還童”

研究團隊還發展了一種新方法，可以通過電化學手段讓老化的富鋰錳基電池“返老還童”。

即讓富鋰錳基電池在不充滿電（如30%的電量）條件下持續循環數次，可以使電池的平均放電電壓恢復到接近100%，同時修復富鋰錳基正極材料的結構損傷。這一發現為延長富鋰錳基電池的壽命提供了新思路。

相關研究發表于《自然》期刊，審稿人表示，該研究不僅推動了電池領域的基礎科學進展，其原創性和普適性也為功能材料的設計提供了新的指導原則，具有重要的跨學科意義。

隨著先進實驗技術和人工智能的結合，材料設計正朝著“按需定制”的方向發展。未來，或可讓電動汽車的鋰電池“返老還童”，實現超長壽命。

來源：中國科學院寧波材料技術與工程研究所

責任編輯：宋同舟