锂电池也能“返老还童”？宁波科研团队发现下一代正极材料的奇妙特性

作为新能源汽车的“心脏”，锂电池续航和寿命备受关注。记者从中国科学院宁波材料所获悉，该所科研团队发现，一种具有超高比容量的富锂锰基正极材料升温后会因原子结构重组而呈现“负热膨胀性”，利用这种特性，人们就有可能将“老化”的电池重置为“原始状态”，从而实现电池“返老还童”。国际学术期刊《自然》16日在线发表了相关成果。

科研人员进行富锂锰基正极材料的电化学性能测试。受访者供图

不同于磷酸铁锂、三元材料等常见的锂电池正极材料，富锂锰基正极材料是一种氧活性的正极材料。氧活性，可以简单理解为氧阴离子可以参与电荷补偿，因此可在同等条件下发生更多氧化还原反应以储存更多的能量，这也是富锂锰基正极材料近年来受到产业界青睐的原因。

尺有所短，寸有所长。氧活性赋予了富锂锰基正极材料超高的放电比容量（单位质量电池所释放的电量），但也因为这个特点，该材料循环充放电后会处于一种类似于弹簧被压缩或拉伸后的状态：看似稳定，但内部储存了额外能量，随时可能释放。正是这种能量的过度储存，导致富锂锰基电池的使用寿命比其他正极材料差得多，至今未实现商业化应用。

经过多年研究，宁波材料所科研团队发现，这种材料有一种有趣的特性：它在受热时反而会收缩。“这种‘负热膨胀性’在普通正极材料里是没有发现过的。”文章第一作者、宁波材料所动力锂电池工程实验室副研究员邱报介绍，收缩具体表现为富锂锰基正极材料的原子排列更紧密了，原本因循环充放电而变得扭曲杂乱的晶胞重新变得整齐有序，“就像是一间堆满杂物的房间被收拾干净了一样。”

过渡金属和氧活性中心与材料的热膨胀性的关系示意图。受访者供图

考虑到实验室衍射装备分辨率有限，难以实现精准的量化分析，科研团队专门前往上海同步辐射光源进行了细致检测。经过多次观察，他们发现，这种‘负热膨胀’现象绝非偶然。“随着温度的升高，能够很明显地观察到富锂锰基正极材料晶胞的收缩趋势。而且越是循环充电次数多的实验样本，晶胞体积收缩得程度就越大。”

在科研人员看来，这个发现相当于证明了循环充放电后的富锂锰基正极材料是有可能“复原”的。

正如上文所述，富锂锰基正极材料有放电比容量高的优点，但缺陷也很明显，就是能承受的循环充放电次数比其他正极材料少得多，一旦反复充放电后，电压下降会很厉害，就是所谓的电池“老化”了。“如果可以借助外力来帮助老化的富锂锰基正极材料恢复‘健康’，那这种材料的产业化应用前景就不一样了。”邱报说。

富锂锰基正极材料及基于富锂锰基正极和硅碳负极的高比能锂离子电池。受访者供图

利用电化学和热化学驱动力的相似性，该团队发展了一种新方法，就是通过浅充电让电池“恢复青春”。“经过成百上千次实验，我们发现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后，可使电池平均放电电压恢复到接近100%，同时修复材料的结构损伤。”

记者了解到，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，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。

“我们正在加快推进相关成果的落地转化。”宁波材料所动力锂电池工程实验室负责人刘兆平研究员告诉记者，就像硬币两面，材料结构的“混乱”和“有序”并不完全对立，他们将研究如何更好地利用这种转化规律，进而在微观尺度设计出更高效耐用的富锂锰基正极材料，让新能源汽车跑得更快、更久。