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科研人員進(jìn)行富鋰錳基正極材料的電化學(xué)性能測(cè)試。受訪者供圖

作為新能源汽車的“心臟”，鋰電池續(xù)航和壽命備受關(guān)注。中國(guó)科學(xué)院寧波材料所科研團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，一種具有超高比容量的富鋰錳基正極材料升溫后會(huì)因原子結(jié)構(gòu)重組而呈現(xiàn)“負(fù)熱膨脹性”，利用這種特性，人們就有可能將“老化”的電池重置為“原始狀態(tài)”，從而實(shí)現(xiàn)電池“返老還童”。國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然》于近日在線發(fā)表了相關(guān)成果。

不同于磷酸鐵鋰、三元材料等常見的鋰電池正極材料，富鋰錳基正極材料是一種氧活性的正極材料。氧活性，可以簡(jiǎn)單理解為氧陰離子可以參與電荷補(bǔ)償，因此可在同等條件下發(fā)生更多氧化還原反應(yīng)以儲(chǔ)存更多的能量，這也是富鋰錳基正極材料近年來受到產(chǎn)業(yè)界青睞的原因。

尺有所短，寸有所長(zhǎng)。氧活性賦予了富鋰錳基正極材料超高的放電比容量（單位質(zhì)量電池所釋放的電量），但也因?yàn)檫@個(gè)特點(diǎn)，該材料循環(huán)充放電后會(huì)處于一種類似于彈簧被壓縮或拉伸后的狀態(tài)：看似穩(wěn)定，但內(nèi)部?jī)?chǔ)存了額外能量，隨時(shí)可能釋放。正是這種能量的過度儲(chǔ)存，導(dǎo)致富鋰錳基電池的使用壽命比其他正極材料差得多，至今未實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用。

經(jīng)過研究，寧波材料所科研團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，這種材料有一種有趣的特性：它在受熱時(shí)反而會(huì)收縮。“這種‘負(fù)熱膨脹性’在普通正極材料里是沒有發(fā)現(xiàn)過的。”文章第一作者、寧波材料所動(dòng)力鋰電池工程實(shí)驗(yàn)室副研究員邱報(bào)介紹，收縮具體表現(xiàn)為富鋰錳基正極材料的原子排列更緊密了，原本因循環(huán)充放電而變得扭曲雜亂的晶胞重新變得整齊有序，“就像是一間堆滿雜物的房間被收拾干凈了一樣。”

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富鋰錳基正極材料及基于富鋰錳基正極和硅碳負(fù)極的高比能鋰離子電池。受訪者供圖

考慮到實(shí)驗(yàn)室衍射裝備分辨率有限，難以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的量化分析，科研團(tuán)隊(duì)專門前往上海同步輻射光源進(jìn)行了細(xì)致檢測(cè)。經(jīng)過多次觀察，他們發(fā)現(xiàn)，這種“負(fù)熱膨脹”現(xiàn)象絕非偶然。“隨著溫度的升高，能夠很明顯地觀察到富鋰錳基正極材料晶胞的收縮趨勢(shì)。而且越是循環(huán)充電次數(shù)多的實(shí)驗(yàn)樣本，晶胞體積收縮的程度就越大。”

在科研人員看來，這個(gè)發(fā)現(xiàn)相當(dāng)于證明了循環(huán)充放電后的富鋰錳基正極材料是有可能“復(fù)原”的。

如上文所述，富鋰錳基正極材料有放電比容量高的優(yōu)點(diǎn)，但缺陷也很明顯，就是能承受的循環(huán)充放電次數(shù)比其他正極材料少得多，一旦反復(fù)充放電后，電壓下降會(huì)很厲害，就是所謂的電池“老化”了。“如果可以借助外力來幫助老化的富鋰錳基正極材料恢復(fù)‘健康’，那這種材料的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用前景就不一樣了。”邱報(bào)說。

利用電化學(xué)和熱化學(xué)驅(qū)動(dòng)力的相似性，該團(tuán)隊(duì)發(fā)展了一種新方法，就是通過淺充電讓電池“恢復(fù)青春”。“經(jīng)過成百上千次實(shí)驗(yàn)，我們發(fā)現(xiàn)讓富鋰錳基電池在不充滿電（如30%電量）條件下持續(xù)循環(huán)數(shù)次后，可使電池平均放電電壓恢復(fù)到接近100%，同時(shí)修復(fù)材料的結(jié)構(gòu)損傷。

記者了解到，這一發(fā)現(xiàn)為延長(zhǎng)富鋰錳基電池的壽命提供了新思路：通過智能調(diào)控充電策略，修復(fù)富鋰錳基正極材料的結(jié)構(gòu)問題，進(jìn)而顯著延長(zhǎng)電池的使用壽命。

“我們正在加快推進(jìn)相關(guān)成果的落地轉(zhuǎn)化。”寧波材料所動(dòng)力鋰電池工程實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人劉兆平研究員表示，就像硬幣兩面，材料結(jié)構(gòu)的“混亂”和“有序”并不完全對(duì)立，他們將研究如何更好地利用這種轉(zhuǎn)化規(guī)律，進(jìn)而在微觀尺度設(shè)計(jì)出更高效耐用的富鋰錳基正極材料，讓新能源汽車跑得更快、更久。