中国网/中国发展门户网讯 （记者 王振红）老化的富锂锰基电池能否“返老还童”？近日，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给出了答案，他们发现这种正极材料在受热时会“收缩”，而这种收缩行为可以帮助老化的电池恢复电压，实现电池的“返老还童”。这一发现为开发更智能、更耐用的下一代锂电池提供了全新思路，在下一代锂电池高比容量富锂锰基正极材料研究方面取得了一项突破性进展。
研究团队通过深入分析，揭示了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，并提出了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。相关研究成果于北京时间4月16日以“电池材料的氧活性与负膨胀性（Negative thermal expansion and oxygen-redox electrochemistry）”为题，在线发表在国际学术期刊《自然》上。中国科学院宁波材料所为第一完成单位和通讯单位，中国科学院宁波材料所邱报副研究员为第一作者、周宇环博士为共同第一作者，中国科学院宁波材料所刘兆平研究员和美国芝加哥大学孟颖教授、张明浩博士为论文通讯作者。
图为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。（供图：中国科学院宁波材料所）
趋势：下一代高比能锂电池技术
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能量密度成为研究热点。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300mAh/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。因此，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。因此，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，成为了科学家们亟待解决的难题。
难题：富锂锰基电池“老化”现象
氧元素在自然界中主要以两种形式存在：一种是固体氧化物中的氧离子（O2-），另一种是氧气分子（O2）。在氧活性正极材料中，氧离子（O2-）在氧化反应中会失去电子，并倾向于结合形成氧气分子（O2）。这一过程会导致材料晶格中的氧离子位置发生变化，从而破坏原有的有序结构，这种结构变化会使得后续的还原反应变得滞后。同样地，在使用具有氧活性的富锂锰基正极材料的锂电池中，氧离子在经历滞后的还原反应后，充电时注入的能量会超过放电时释放的能量，导致部分能量未能有效释放。这时尽管电池显示为“没电”，但实际上仍有部分能量以晶格扭曲和结构无序的形式储存在材料中。此时，富锂锰基正极材料料处于一种亚稳态，类似于弹簧被压缩或拉伸后的状态：虽然看起来稳定，但内部储存了额外的能量，随时可能释放。正是这种能量的过度储存导致了富锂锰基电池性能使用寿命和效率大打折扣。
过渡金属和氧活性中心与材料的热膨胀性的关系示意图。（供图：中国科学院宁波材料所）
新思路：恢复青春，延长使用寿命
如何有效解决这一问题？在本研究中，科研人员揭示了富锂锰基正极材料的有趣的性质：它在受热时反而收缩，冷却时却膨胀，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“热缩冷胀”的特性。更令人惊奇的是，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。
图为科研人员进行富锂锰基正极材料的电化学性能测试。（供图：中国科学院宁波材料所）
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了一种“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。
研究团队还发展了一种新方法，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。基于此，研究团队提出了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。
图为科研人员进行富锂锰基正极材料的软包电池组装。（供图：中国科学院宁波材料所）
未来：返老还童，永葆青春
有趣的是，材料结构的“混乱”和“有序”并不是完全对立的，而是可以相互转化的。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。
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，我们的电动汽车、电动航空器等的锂电池不仅能够实现更长的续航能力，还可以通过这种让锂电池“返老还童”的手段实现超长寿命。想象一下，锂电池可以像“永葆青春”一样持续使用，这是不是很酷？
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