让电池“返老还童”：揭秘下一代锂电池正极材料

 

 ▲视频来源：中国科学院宁波材料技术与工程研究所

 

为了发展下一代高比能锂电池技术，寻找高比容量、高工作电压正极材料，提升锂电池能量密度成为学界研究热点。

 

日前，中国科学院宁波材料技术与工程研究所（以下简称宁波材料所）动力锂电池工程实验室，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突破性进展。

 

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“老化” 阻碍电池发展

 

富锂锰基正极材料的放电比容量，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。这使得富锂锰基正极材料成为下一代锂电池材料的发展方向。

 

但经过多次充放电后，富锂锰基电池的电压会逐渐下降，出现“老化”现象，这使得富锂锰基电池目前难以实现商业应用。

 

究其原因，是作为正极的富锂锰基材料中，氧离子位置发生变化，使得后续的还原反应变得滞后，在充电时注入的能量会超过放电时释放的能量，使得部分能量未能有效释放。

 

导致电池虽然显示为“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。这使得富锂锰基正极材料，处于一种类似于弹簧被压缩或拉伸后的亚稳态，即虽然看起来稳定，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

 

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新特性带来新设计

 

宁波材料所的科研人员，揭示了富锂锰基正极材料的一个“有趣”性质：在受热时收缩，即“负热膨胀”。

 

利用该特性，对富锂锰基正极材料进行适当升温，就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。

 

通过调节正极材料的氧活性，可以灵活控制其热膨胀系数，使其在正、零、负之间切换。基于新发现，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体积变化，进而影响锂电池寿命的问题，为下一代高比能锂电池技术的发展提供了新的可能性。

 

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新办法让电池“返老还童”

 

研究团队还发展了一种新方法，可以通过电化学手段让老化的富锂锰基电池“返老还童”。

 

即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，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。

 

相关研究发表于《自然》期刊，审稿人表示，该研究不仅推动了电池领域的基础科学进展，其原创性和普适性也为功能材料的设计提供了新的指导原则，具有重要的跨学科意义。

 

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，或可让电动汽车的锂电池“返老还童”，实现超长寿命。

 

来源：中国科学院宁波材料技术与工程研究所