中國科學家為下一代鋰電池提供新思路　讓電池「返老還童」

（香港文匯網記者劉凝哲 北京報道）近日，中國科學院寧波材料技術與工程研究所動力鋰電池工程實驗室研究團隊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一項突破性進展。他們發現這種正極材料在受熱時會「收縮」，而這種收縮行為可以幫助老化的電池恢復電壓，實現電池的「返老還童」。這一發現為開發更智能、更耐用的下一代鋰電池提供了全新思路。相關研究成果日前發表於國際學術期刊《自然》。

要更大限度地提高電動汽車、電動航空器等的續航里程，就必須發展下一代高比能鋰電池技術，因此發展高比容量、高電壓正極材料以提升鋰電池能量密度成為研究熱點。富鋰錳基正極材料具有氧陰離子氧化還原的額外容量，其放電比容量高達300mAh/g，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。因此，富鋰錳基正極材料是公認的下一代鋰電池正極材料方向，現已成為正極材料領域主要研究方向之一。

雖然富鋰錳基正極材料擁有超高的放電比容量，但它作為一種氧活性正極材料，在實際使用中還存在一個嚴重的問題：經過多次充放電後，富鋰錳基電池的電壓會逐漸下降，出現所謂的「老化」現象。這使得富鋰錳基電池目前仍然難以獲得實際應用。因此，如何讓這種富鋰錳基電池既保持高能量密度又能長期穩定工作，成為了科學家們亟待解決的難題。

在研究中，科研人員揭示了富鋰錳基正極材料的有趣的性質：它在受熱時反而收縮，即「負熱膨脹」。 研究發現，對富鋰錳基正極材料進行適當升溫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。在這個過程中，該正極材料的原子排列變得更加緊密，導致體積縮小，從而表現出「遇熱收縮」的特性。更令人驚奇的是，通過調節該正極材料的氧活性，可以靈活控制其熱膨脹係數，使其在正、零、負之間切換。

這一發現不僅為量化富鋰錳基正極材料的結構無序提供了新方法，還幫助研究團隊設計出了一種「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的鋰電池壽命縮短等問題，為下一代高比能鋰電池技術的發展提供了新的可能性。

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」。這種方法利用了電化學和熱化學驅動力的相似性，將富鋰錳基正極材料從結構無序、不穩定的狀態「重置」回接近原始的結構有序狀態，就像讓電池「恢復青春」一樣。基於此，研究團隊提出了一種簡單的修復策略：通過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後，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：通過智能調控充電策略，可定期修復富鋰錳基正極材料的結構問題，進而顯著延長電池的使用壽命。

這一研究成果以「電池材料的氧活性與負熱膨脹性（Negative thermal expansion and oxygen-redox electrochemistry）」為題發表在國際學術期刊《自然》上，中國科學院寧波材料所為第一完成單位和通訊單位，中國科學院寧波材料所邱報副研究員為第一作者、周宇環博士為共同第一作者，中國科學院寧波材料所劉兆平研究員和美國芝加哥大學孟穎教授、張明浩博士為論文通訊作者。