电池也可“返老还童”，下一代锂电材料登上《自然》

下一代锂电池电量有望比当前使用的锂电池提升至少30%，然而，其在材料使用寿命和电压稳定性方面长期面临瓶颈。

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的研究团队在这一方向上取得突破性进展——他们发现，下一代锂电池中采用的富锂锰基正极材料在受热时会“收缩”，而这种收缩行为可以帮助老化电池恢复电压，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。相关研究成果已于北京时间4月16日23:00在线发表于国际学术期刊《自然》。期刊审稿人高度评价该研究“针对电池材料中氧阴离子（O²⁻）氧化还原反应引发的结构无序化问题，提出了富有创新性的解决方案”。

能量密度提升30%，却“老化”太快

为最大限度提升电动汽车、电动航空器等的续航里程，发展下一代高比能锂电池技术成为关键方向。因此，开发具有高比容量、高工作电压的正极材料，以提升锂电池能量密度，已成为研究热点。

富锂锰基正极材料的放电比容量显著优于目前商业化应用的磷酸铁锂和三元材料，理论上可直接将电池能量密度提升30%，同时具有明显的成本优势。因此，富锂锰基正极材料被广泛认为是下一代锂电池正极材料，现已成为锂电池正极材料领域主要研究方向之一。

富锂锰基正极材料在克比容量上与商业化三元和磷酸铁锂材料的对比

然而，尽管富锂锰基正极材料拥有超高的比容量，但它作为一种以氧活性为核心机制的正极材料，在实际使用中仍面临严峻挑战：经过多次充放电循环后，其工作电压会逐渐衰减，表现出典型的“老化”现象。这一现象严重限制了其在实际应用中的可行性。

因此，如何在保持高能量密度的同时，赋予富锂锰基电池长期稳定的工作能力，成为当前研究的核心难题。

揭秘！看似“无电”，实则“有电”

论文第一作者、宁波材料所副研究员邱报介绍，他们的研究表明，在氧活性正极材料中，氧离子在氧化反应中会失去电子，并倾向于结合形成氧气分子。该过程引起材料晶格中氧离子位置的变化，从而破坏原有的有序结构。

在使用具有氧活性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，会导致充电时注入的能量会超过放电时释放的能量，造成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，尽管电池显示为“电量耗尽”，实则仍残存一定的能量。

此时，富锂锰基正极材料料处于亚稳态，类似于弹簧被压缩或拉伸后的状态：虽然看起来稳定，但由于内部储存了额外的能量，随时可能发生应变释放。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

发现“热缩冷胀”，找到“返老还童”路径

研究团队进一步发现，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，材料的原子排列变得更加紧密，结构晶体体积缩小，从而表现出“热缩”的特性。

更令人惊奇的是，通过调节该正极材料中的氧活性，可灵活控制其热膨胀系数，使富锂锰基正极材料的热膨胀系数在正、零、负之间切换。

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，也促使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。

研究团队还发展了一种新型电化学调控技术，可以通过电化学手段让老化的富锂锰基电池“返老还童”。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。论文通讯作者、宁波材料所刘兆平研究员介绍，通过优化充电策略，能让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，是现有富锂材料体系寿命的两倍以上。

目前，研究团队正致力于深入理解这种转化规律，力求在微观层面实现精准调控，开发更高效、长寿命的富锂锰基正极材料。

刘兆平（右一）、邱报（右二）及科研团队一起探讨材料研制中遇到的问题

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。刘兆平表示，未来，电动汽车、电动航空器等应用场景所需的锂电池，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。