在电动汽车和电动航空器等新兴领域快速发展的背景下，续航问题成为了制约其广泛应用的瓶颈。作为这些设备的核心组件，锂电池的性能提升显得尤为重要。近日，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的研究团队取得了一项突破性进展，为老化的锂电池找到了“重生”的新途径，相关研究成果已在《自然》杂志上发表，为高能量密度电池技术的发展带来了新的曙光。
为了提高电动汽车和电动航空器的续航能力，研发下一代高能量密度锂电池技术迫在眉睫。宁波材料所的研究员刘兆平指出，富锂锰基正极材料凭借其显著的成本优势和额外的氧阴离子氧化还原容量，放电比容量高达300mAh/g，远超当前商业化应用的磷酸铁锂和三元材料等正极材料，能够将电池能量密度提升30%以上，因此被视为下一代锂电池正极的理想选择。
然而，富锂锰基正极材料也面临着一个重大挑战。由于其内部氧活性导致的有序结构向无序结构转变，使用该材料的锂电池在多次充放电后，电压会逐渐下降，出现“老化”现象。这一天然缺陷阻碍了其实际应用。如何使这种电池既保持高能量密度又能长期稳定工作，成为科研人员亟待攻克的关键难题。
事情的转机发生在2017年，宁波材料所的副研究员邱报在一次看似失败的实验中偶然发现了富锂锰基正极材料的反常现象——遇热收缩。尽管热缩现象在自然界中较为罕见，且解释其背后的物理机制对材料化学家来说并非易事，但邱报并未放弃。他花费数年时间，深入学习了负热膨胀领域的大量文献，并利用上海同步辐射光源、中国散裂中子源等大科学装置进行了大量实验表征，最终揭示了富锂锰基正极材料“遇热收缩”的科学原理。
邱报发现，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，这一过程会破坏材料晶格中的氧离子位置，导致有序结构被破坏，使后续的还原反应滞后。在使用富锂锰基正极材料的锂电池中，氧离子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，部分能量以晶格扭曲和结构无序的形式储存在材料中，使电池处于亚稳态。而适当的加热过程可以消除外部应力对材料结构的影响，使材料从无序状态恢复到更稳定、能量更低的有序结构，从而表现出“遇热收缩”的特性。
基于这一发现，研究团队进一步展开了深入研究。他们通过调节富锂锰基正极材料的氧活性，灵活控制了热膨胀系数，设计出一种“零热膨胀”正极材料。这种材料有望解决因温度波动导致的锂电池寿命缩短等问题，为下一代高能量密度锂电池技术的发展提供了新的可能。
研究团队还开发了一种新方法，利用电化学手段让老化的富锂锰基电池“重获新生”。他们利用电化学和热化学驱动力的相似性，将材料结构从无序、不稳定的状态“重置”回接近原始的有序状态，从而使电池恢复性能。具体来说，团队提出了一种简单的修复策略，即通过智能调控，将富锂锰基电池充至约30%的电量，并循环数次，可以使电池的平均放电电压恢复到接近100%，同时修复正极材料的结构损伤，显著延长电池寿命。
这项研究成果得到了《自然》杂志审稿人的高度评价。研究团队首次引入了负热膨胀概念，成功建立了结构无序程度的量化方法，并首次发现富锂锰基正极材料结构无序态在温度或电化学驱动下可逆转为有序态的现象。这一突破不仅突破了传统电极材料结构转变的理论框架，其原创性和普适性也为功能材料的设计提供了新的指导原则。
科研人员正在进一步研究如何控制材料结构“混乱”与“有序”之间的转化规律，以期在微观尺度上设计出更高效、更耐用的富锂锰基正极材料。这一研究成果不仅为高能量密度电池技术的进一步发展提供了科学依据，有望改变未来电池的设计和使用方式，也为解决电动汽车、电动航空器等领域的续航难题带来了新的希望。
