我國(guó)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)讓下一代鋰電池“返老還童”的奧秘

科技日?qǐng)?bào)記者 陸成寬

記者17日從中國(guó)科學(xué)院獲悉，我國(guó)科研人員在下一代鋰電池研究方面取得突破性進(jìn)展。他們發(fā)現(xiàn)，富鋰錳基正極材料在受熱時(shí)會(huì)自動(dòng)收縮，這種特性竟能幫助老化的電池恢復(fù)電壓，讓舊電池“返老還童”。這一發(fā)現(xiàn)不僅揭示了該材料的工作機(jī)制，更為研發(fā)更耐用、可自我修復(fù)的下一代鋰電池提供了全新方向。相關(guān)研究成果在線發(fā)表于《自然》雜志。

過(guò)渡金屬和氧活性中心與材料的熱膨脹性的關(guān)系示意圖。中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所供圖

要解決電動(dòng)汽車、電動(dòng)航空器的“續(xù)航焦慮”，就必須發(fā)展下一代高比能鋰電池技術(shù)。科學(xué)家們盯上了富鋰錳基正極材料，用它做成的電池，儲(chǔ)電能力能比現(xiàn)有電池提升30%，就像把油箱容量直接擴(kuò)大30%，加上錳元素比鈷鎳便宜，所以這種材料堪稱既強(qiáng)又實(shí)惠的“六邊形戰(zhàn)士”。

雖然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(shí)際使用中還存在一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題：經(jīng)過(guò)多次充放電后，富鋰錳基電池的電壓會(huì)逐漸下降，出現(xiàn)老化現(xiàn)象。“這使得富鋰錳基電池目前仍然難以獲得實(shí)際應(yīng)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(zhǎng)期穩(wěn)定工作，成為了科學(xué)家們亟待解決的難題。”論文共同通訊作者、中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所研究員劉兆平說(shuō)。

在這項(xiàng)研究中，科研人員揭示了富鋰錳基正極材料的有趣的性質(zhì)：它在受熱時(shí)反而收縮。適當(dāng)加熱，就能讓該材料從無(wú)序狀態(tài)恢復(fù)到更穩(wěn)定、能量更低的有序結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致電池體積縮小，從而表現(xiàn)出“遇熱收縮”的特性。“基于此，我們找到了一種新方法，通過(guò)電化學(xué)手段讓老化的富鋰錳基電池實(shí)現(xiàn)‘逆生長(zhǎng)’。”劉兆平說(shuō)。

對(duì)于這項(xiàng)成果，《自然》期刊審稿人給予了高度評(píng)價(jià)。他表示，研究團(tuán)隊(duì)首次發(fā)現(xiàn)，在溫度或電化學(xué)驅(qū)動(dòng)下，富鋰錳基正極材料的結(jié)構(gòu)可從無(wú)序態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橛行驊B(tài)的現(xiàn)象，這一發(fā)現(xiàn)突破了傳統(tǒng)電極材料結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的理論框架，為理解電極材料的結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系開(kāi)辟了新的研究方向。