中國網/中國發展門戶網訊 （記者 王振紅）老化的富鋰錳基電池能否“返老還童”？近日，中國科學院寧波材料技術與工程研究所動力鋰電池工程實驗室研究團隊給出了答案，他們發現這種正極材料在受熱時會“收縮”，而這種收縮行為可以幫助老化的電池恢復電壓，實現電池的“返老還童”。這一發現為開發更智能、更耐用的AR擴增實境下一代鋰電池提供了全新思路，在下一代鋰電池高比容量富鋰錳基正極材料研究方面取得了一項突破性進展。
研究團隊通過深入分析，揭示了富鋰錳基正極材料的受熱收縮特性與電池工作機制之間的內在聯系，并提出了利用這一特性讓老化電池恢復性能的創新方法。這一研究成果不僅為高比能電池技術的進一步發展提供了科學依據，還有望改變未來電池的設計和展場設計使用方式。相關研究成果于北京時間4月16日以“電池材料的氧活性與負熱膨脹性（Negative thermal expansion and oxygen-redox electrochemi場地佈置stry）”為題，在線發表在國際學術期刊《自然》上。中國科學院寧波材料所為第一完成單位和通訊單位，中國科學院寧波材料所邱報副研究員為第一作者、周宇環博士為共同第一作者，中國科學院寧波材料所劉兆平研究員和美國芝加哥大學孟穎教授、張明浩博士為論文通訊作者。
圖為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。（供圖：中國科學院寧波材料所）
趨勢：下一代高比能鋰電池技術
AR擴增實境要更大限度地提高電動汽車、電動航空器等的續航里程，就必須發展下一代高比能鋰電池技術，因此發展高比容量、高電壓活動佈置正極材料以提升鋰電池能量密度成為研究熱點。富鋰錳基正極材料具有氧陰離子氧化還原的額外容量，其放電比容量高達300mAh/g，遠超目前商業化應用的磷酸鐵鋰和互動裝置三元材料等正極材料，可直接將電池能量密度提升30%以上；同時，富鋰錳基正極材料具有顯著成本優勢。因此，富鋰錳基正極材料是公認的下一代鋰電池正極材料方向，現已成為策展開幕活動正極材料領域主要研究方向之一。
雖然VR虛擬實境富鋰錳基正極材料擁有超高的放電比容量，但它作為一種氧活性正極材料，在實際使用中還存在一個嚴重的問題：經過VR虛擬實境多次充放電后，富鋰錳基電池的電壓會逐漸下降，出現所謂的“老化”現象。這使得富鋰錳基電池目前仍然難以獲得實際應用。因此，如何讓這種富鋰錳基電池既保持高能量密度又能長期穩定工作，成為了科學家們亟待解決的難題。
氧元素在自然界中主要以兩種形式存在：一種是固體氧化物中的氧離子（O2-），另一種是氧氣分子（O2）。在氧活性正極材料中，氧離子（O2-）在氧化反應中會失去電子，并傾向于結合形場地佈置成氧氣分子（O2）。這一過程會導致AR擴增實境材料晶格中的氧離子位置發生變化，從而破壞原有的有序結構，這種結構變化會使得后續的還原反應變得滯后。同樣地，在使用攤位設計具有氧活性的富鋰錳基正極材料的鋰電池中，氧離子在經歷滯后的還原反應后，充電時注入的能量會超過放電時釋放的能量，導致部分能量未能有效釋放。這時盡管電池顯示為“沒電”，但實際上仍有部分能量以晶格扭曲和結構無序的形式儲存在材料中。此時，策展富鋰錳基正極材料料處于一種亞穩態，類似于彈簧被壓縮或拉伸后的狀態：雖然看起來穩定，但內部儲存了額外的能量，隨時可能釋放。正是這種能量的奇藝果影像過度儲存導致了富鋰錳基電池性能使用壽命和效率大打折扣。
過渡金屬和氧活性中心與材料的熱膨脹性的關系示意圖。（供圖：中國科學院寧波材料所）
新思路：恢廣告設計復青春，延長使用壽命
如何有效解決這一問題？在本研究中，科研人員揭示了富鋰錳基正極材料的有趣的性質大圖輸出：它在受熱時反而收縮，即“負熱膨脹”。 研究發現，對富鋰錳基正極材料進行適當升溫可以消除外部應力對材料結構的影響，使材料從無序狀態恢復到更穩定、能量更低的有序結構。在這個過程中，該正極材料的原子排列變得更加緊密，導致體積縮小，從而表現出“遇熱收縮”的特性。更令人驚奇的是，通過調節該正極材料的氧活性，可以靈活控制其熱膨脹系數，使其在正、零、負之舞臺背板間切換。平面設計
圖為科研人員進行包裝盒富鋰錳基正極材料的電化學性能測試。（供圖：中國科學院寧波材料所）
這一發現不僅為FRP量化富鋰錳基正極材料的結構無序提供了新方法，還幫助研究團隊設計出了一種“零熱膨脹”正極材料。這種新型正極材料在溫度變化時幾乎不會發生體積變化，有望解決因溫度波動導致的鋰電池壽命縮短等問題，為下一代高比能道具製作鋰電池技術的發展提供了新的可能性。
研究團隊還開幕活動發展了一種新方法，利用了電化學和熱化學驅動力的相似性，將富鋰錳基正極材料從結構無序、不穩定的狀態“重置”回接近原始的結構有序狀態，就像讓電池“恢復青春”一樣。基于此，研究團隊提出了一種簡單的修復策略：通過讓富鋰錳基電池在不充滿電（如30%的場地佈置電量）條件下持續循環數次后，可以使電池的平均放電電壓恢全息投影復到接近100%，同時修復富鋰錳基正極材料的結構損傷。這一發現為延長富鋰錳基電池的壽命提供了新思路：通過智能調控充電策略，可定期修復富鋰錳基正極材料的結構問題，進而顯著延長電池的使用壽命。
圖為科研人員展場設計進行富鋰錳基正極材料的軟包電池組裝。（供圖：中國科學院寧波材料所）
未來：返老還童，永葆青春
有趣的是，材料結構的“混亂”和“有序”并不是完全對立的，而是可以相互轉化的FRP。就像硬幣的兩面，科學家們正在研究如何控制這種轉化規律，從而在微觀尺度上設計出更高效、更耐用的富鋰錳基正極材料。
隨著先進實驗沈浸式體驗技術和人工智能的結合，材料設計正朝著“按需定制”的方向發展。未來，我們的電動汽車、電動航空器等的鋰電池不僅能夠實現更長的續航能力，還可以通過這種讓鋰電池“返全息投影老還童”的手段實現超長壽命。想象一下，鋰電池可以像“永葆青春”一樣持續使用，這是不是很酷？
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