新技術
[摘要]近日，中國科學院寧波材料技術與工程研究所研究團隊，在下一代鋰電池富鋰錳基正極材料研究方面取得了一項突破性進展。
近日，中國科學院寧波材料技術與工程研究所研究團隊，在下一代鋰電池富鋰錳基正極材料研究方面取得了一項突破性進展。
該研究團隊發現，富鋰錳基正極材料具有獨特的“遇熱收縮”特性，即“負熱膨脹”，這與自然界中大多數物質“熱脹冷縮”的性質截然不同。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”。研究團隊還提出了利用這一特性讓老化電池恢復性能的創新方法，這一發現為開發更智能、更耐用的下一代鋰電池提供了全新思路。
據悉，鋰電池材料主要包括正極材料、負極材料、隔膜、電解液等，其中，正極材料最常用的是磷酸鐵鋰和三元材料。“目前，很多電動汽車行駛四五百公里后，電池就沒電了，主要原因是電池材料的比容量低。”中國科學院寧波材料所研究員劉兆平表示，未來，要想電動汽車續航提升至七八百公里甚至更長，發展高比容量、高電壓的正極材料來提升鋰電池能量密度十分關鍵。
在眾多材料中，富鋰錳基正極材料憑借優勢脫穎而出。一方面，這種新材料放電比容量高達300毫安時/克，遠超目前商業化應用的磷酸鐵鋰和三元材料等正極材料，可直接將電池能量密度提升30%以上；另一方面，它還具有顯著的成本優勢。因此，富鋰錳基正極材料成為公認的下一代鋰電池正極材料的熱門選擇。
然而，理想與現實之間存在一定差距。中國科學院寧波材料所副研究員邱報表示，作為一種氧活性正極材料，富鋰錳基正極材料在實際使用中面臨一個嚴重問題：經過多次充放電后，富鋰錳基電池的電壓會逐漸下降，出現所謂的“老化”現象，這嚴重阻礙了其商業化應用。
問題的癥結在哪里？研究團隊深入探究發現，反復充放電過程中，富鋰錳基材料內部的晶體結構會遭到破壞，逐漸變得無序，就像原本整整齊齊的隊伍瞬間混亂，這種結構的變化導致富鋰錳基電池使用壽命和效率大幅降低。不過，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的有序結構。
基于此，研究團隊開發出通過電化學手段讓老化富鋰錳基電池“返老還童”的新方法。“該方法利用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。”劉兆平說。
不僅如此，研究團隊還提出了簡單有效的修復策略：對富鋰錳基電池進行低電壓充電（充電20%至30%）數次，可使電池的平均放電電壓恢復到接近100%，同時修復正極材料的結構損傷，顯著延長電池使用壽命。劉兆平透露，目前科研團隊正在與相關企業緊密對接，全力推動科研成果走向市場。
隨著先進實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，電動汽車、電動航空器不僅具備更長的續航能力，鋰電池還可以實現超長壽命，為新能源領域發展帶來新變革。”劉兆平說。
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