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科研人員進行富鋰錳基正極材料的電化學性能測試。受訪者供圖

作為新能源汽車的“心臟”，鋰電池續(xù)航和壽命備受關(guān)注。中國科學院寧波材料所科研團隊發(fā)現(xiàn)，一種具有超高比容量的富鋰錳基正極材料升溫后會因原子結(jié)構(gòu)重組而呈現(xiàn)“負熱膨脹性”，利用這種特性，人們就有可能將“老化”的電池重置為“原始狀態(tài)”，從而實現(xiàn)電池“返老還童”。國際學術(shù)期刊《自然》于近日在線發(fā)表了相關(guān)成果。

不同于磷酸鐵鋰、三元材料等常見的鋰電池正極材料，富鋰錳基正極材料是一種氧活性的正極材料。氧活性，可以簡單理解為氧陰離子可以參與電荷補償，因此可在同等條件下發(fā)生更多氧化還原反應以儲存更多的能量，這也是富鋰錳基正極材料近年來受到產(chǎn)業(yè)界青睞的原因。

尺有所短，寸有所長。氧活性賦予了富鋰錳基正極材料超高的放電比容量（單位質(zhì)量電池所釋放的電量），但也因為這個特點，該材料循環(huán)充放電后會處于一種類似于彈簧被壓縮或拉伸后的狀態(tài)：看似穩(wěn)定，但內(nèi)部儲存了額外能量，隨時可能釋放。正是這種能量的過度儲存，導致富鋰錳基電池的使用壽命比其他正極材料差得多，至今未實現(xiàn)商業(yè)化應用。

經(jīng)過研究，寧波材料所科研團隊發(fā)現(xiàn)，這種材料有一種有趣的特性：它在受熱時反而會收縮。“這種‘負熱膨脹性’在普通正極材料里是沒有發(fā)現(xiàn)過的。”文章第一作者、寧波材料所動力鋰電池工程實驗室副研究員邱報介紹，收縮具體表現(xiàn)為富鋰錳基正極材料的原子排列更緊密了，原本因循環(huán)充放電而變得扭曲雜亂的晶胞重新變得整齊有序，“就像是一間堆滿雜物的房間被收拾干凈了一樣。”

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富鋰錳基正極材料及基于富鋰錳基正極和硅碳負極的高比能鋰離子電池。受訪者供圖

考慮到實驗室衍射裝備分辨率有限，難以實現(xiàn)精準的量化分析，科研團隊專門前往上海同步輻射光源進行了細致檢測。經(jīng)過多次觀察，他們發(fā)現(xiàn)，這種“負熱膨脹”現(xiàn)象絕非偶然。“隨著溫度的升高，能夠很明顯地觀察到富鋰錳基正極材料晶胞的收縮趨勢。而且越是循環(huán)充電次數(shù)多的實驗樣本，晶胞體積收縮的程度就越大。”

在科研人員看來，這個發(fā)現(xiàn)相當于證明了循環(huán)充放電后的富鋰錳基正極材料是有可能“復原”的。

如上文所述，富鋰錳基正極材料有放電比容量高的優(yōu)點，但缺陷也很明顯，就是能承受的循環(huán)充放電次數(shù)比其他正極材料少得多，一旦反復充放電后，電壓下降會很厲害，就是所謂的電池“老化”了。“如果可以借助外力來幫助老化的富鋰錳基正極材料恢復‘健康’，那這種材料的產(chǎn)業(yè)化應用前景就不一樣了。”邱報說。

利用電化學和熱化學驅(qū)動力的相似性，該團隊發(fā)展了一種新方法，就是通過淺充電讓電池“恢復青春”。“經(jīng)過成百上千次實驗，我們發(fā)現(xiàn)讓富鋰錳基電池在不充滿電（如30%電量）條件下持續(xù)循環(huán)數(shù)次后，可使電池平均放電電壓恢復到接近100%，同時修復材料的結(jié)構(gòu)損傷。

記者了解到，這一發(fā)現(xiàn)為延長富鋰錳基電池的壽命提供了新思路：通過智能調(diào)控充電策略，修復富鋰錳基正極材料的結(jié)構(gòu)問題，進而顯著延長電池的使用壽命。

“我們正在加快推進相關(guān)成果的落地轉(zhuǎn)化。”寧波材料所動力鋰電池工程實驗室負責人劉兆平研究員表示，就像硬幣兩面，材料結(jié)構(gòu)的“混亂”和“有序”并不完全對立，他們將研究如何更好地利用這種轉(zhuǎn)化規(guī)律，進而在微觀尺度設計出更高效耐用的富鋰錳基正極材料，讓新能源汽車跑得更快、更久。