顶刊论文解读｜让电池“返老还童”！我国科学家破解下一代锂电池“寿命魔咒”

  电动汽车续航里程不足、手机用久了电量“虚标”，这些问题的核心都指向锂电池的“老化”。4月16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在《自然》期刊发表最新研究成果：他们发现下一代锂电池的核心材料——富锂锰基正极材料，拥有“遇热收缩”的反常特性，甚至能让老化的富锂锰基电池“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。

  高能量密度材料的“双刃剑”：氧活性带来容量，也埋下老化隐患​

  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，成为科学家们亟待解决的难题。

  破解老化难题，材料“遇热收缩”触发结构重生​

  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，氧离子在氧化反应中会失去电子，并倾向于结合形成氧气分子。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

  如何有效解决这一问题？研究中，科研人员意外发现，富锂锰基材料在受热时会收缩，即“负热膨胀”。这一反常行为源于氧活性调控的晶格重排：升温可消除材料内部应力，促使无序结构恢复为紧密有序状态，如同将压缩的弹簧“复位”。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。

  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。

  循环充放，让电池焕发新生​

  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”。这种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。

  通俗来讲，就是在30%电量下循环充放电数次，通过电化学驱动力将老化材料“重置”回有序状态，可使平均放电电压恢复至接近初始水平。这一过程模拟了温度驱动的结构修复，但无需外部加热装置，更具实用性。

  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、中国科学院宁波材料所刘兆平研究员解释，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，下一代锂电池可以像“永葆青春”一样持续使用，这是不是很酷？

  （光明网记者宋雅娟）