讓電池“返老還童”！下一代鋰電池研發(fā)中國(guó)方案“新鮮出爐”

讓電池“返老還童”！下一代鋰電池研發(fā)中國(guó)方案“新鮮出爐”

現(xiàn)實(shí)生活中，熱脹冷縮、電池反復(fù)充電使用會(huì)逐漸老化等現(xiàn)象都是眾所周知，但周知中蘊(yùn)藏的未知總是吸引科學(xué)家們關(guān)注和探索。

實(shí)現(xiàn)電池“返老還童”

最近，中國(guó)科研團(tuán)隊(duì)通過(guò)持續(xù)探索研究并聯(lián)合中外合作伙伴發(fā)現(xiàn)，下一代鋰電池高比容量富鋰錳基正極材料在受熱時(shí)會(huì)“收縮”，可以幫助老化的電池恢復(fù)電壓，實(shí)現(xiàn)電池的“返老還童”，從而為開(kāi)發(fā)更智能、更耐用的下一代鋰電池提供了全新思路。

研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)深入分析，揭示富鋰錳基正極材料的受熱收縮特性與電池工作機(jī)制之間的內(nèi)在聯(lián)系，并提出利用這一特性讓老化電池恢復(fù)性能的創(chuàng)新方法。這一研究成果不僅為高比能電池技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展提供了科學(xué)依據(jù)，還有望改變未來(lái)電池的設(shè)計(jì)和使用方式。

研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行富鋰錳基正極材料的電化學(xué)性能測(cè)試(從左到右：梁灝嚴(yán)博士，邱報(bào)副研究員，劉兆平研究員，顧可欣博士研究生)。中國(guó)科學(xué)院寧波材料所 供圖

這項(xiàng)鋰電池材料領(lǐng)域的突破性進(jìn)展，由中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所(寧波材料所)動(dòng)力鋰電池工程實(shí)驗(yàn)室研究團(tuán)隊(duì)與美國(guó)芝加哥大學(xué)等中外科研同行共同完成，相關(guān)研究成果論文以“電池材料的氧活性與負(fù)熱膨脹性”為題，北京時(shí)間4月16日夜間在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然》上線發(fā)表。

《自然》期刊審稿人評(píng)價(jià)稱，實(shí)現(xiàn)電池“返老還童”的研究成果，不僅推動(dòng)電池領(lǐng)域基礎(chǔ)科學(xué)進(jìn)展，其原創(chuàng)性和普適性也為功能材料的設(shè)計(jì)提供了新的指導(dǎo)原則，具有重要的跨學(xué)科意義。

聚焦富鋰錳基正極材料

論文通訊作者、中國(guó)科學(xué)院寧波材料所劉兆平研究員指出，要更大限度地提高電動(dòng)汽車(chē)、電動(dòng)航空器等的續(xù)航里程，就必須發(fā)展下一代高比能鋰電池技術(shù)，因此，發(fā)展高比容量、高電壓正極材料以提升鋰電池的能量密度成為研究熱點(diǎn)。

而富鋰錳基正極材料具有氧陰離子氧化還原的額外容量，其放電比容量高達(dá)300毫安時(shí)每克(mAh/g)，遠(yuǎn)超目前商業(yè)化應(yīng)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。同時(shí)，富鋰錳基正極材料具有顯著成本優(yōu)勢(shì)。所以，富鋰錳基正極材料是公認(rèn)的下一代鋰電池正極材料方向，現(xiàn)已成為正極材料領(lǐng)域主要研究方向之一。

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)所謂的“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。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，由此成為科學(xué)家們亟待解決的難題。

揭示“受熱收縮”特性

如何有效解決這一問(wèn)題？論文第一作者、中國(guó)科學(xué)院寧波材料所邱報(bào)副研究員介紹說(shuō)，在本項(xiàng)研究中，研究團(tuán)隊(duì)揭示出富鋰錳基正極材料的有趣性質(zhì)：它在受熱時(shí)反而收縮，即“負(fù)熱膨脹”。

研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)富鋰錳基正極材料進(jìn)行適當(dāng)升溫可以消除外部應(yīng)力對(duì)材料結(jié)構(gòu)的影響，使材料從無(wú)序狀態(tài)恢復(fù)到更穩(wěn)定、能量更低的有序結(jié)構(gòu)。在這個(gè)過(guò)程中，該正極材料的原子排列變得更加緊密，導(dǎo)致體積縮小，從而表現(xiàn)出“受熱收縮”的特性。特別是通過(guò)調(diào)節(jié)該正極材料的氧活性，可以靈活控制其熱膨脹系數(shù)，使其在正、零、負(fù)之間切換。

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(圖中車(chē)輛為模型)。中國(guó)科學(xué)院寧波材料所 供圖

這一發(fā)現(xiàn)不僅為量化富鋰錳基正極材料的結(jié)構(gòu)無(wú)序提供了新方法，還幫助研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出一種“零熱膨脹”正極材料。這種新型正極材料在溫度變化時(shí)幾乎不會(huì)發(fā)生體積變化，有望解決因溫度波動(dòng)導(dǎo)致的鋰電池壽命縮短等問(wèn)題，為下一代高比能鋰電池技術(shù)的發(fā)展提供了新的可能性。

研究團(tuán)隊(duì)還發(fā)展出一種新方法，可以通過(guò)電化學(xué)手段讓老化的富鋰錳基電池“返老還童”。這種方法利用了電化學(xué)和熱化學(xué)驅(qū)動(dòng)力的相似性，將富鋰錳基正極材料從結(jié)構(gòu)無(wú)序、不穩(wěn)定的狀態(tài)“重置”回接近原始的結(jié)構(gòu)有序狀態(tài)，就像讓電池“恢復(fù)青春”一樣。

材料設(shè)計(jì)“按需定制”

基于此，研究團(tuán)隊(duì)提出一種簡(jiǎn)單的修復(fù)策略：通過(guò)讓富鋰錳基電池在不充滿電(如30%的電量)條件下持續(xù)循環(huán)數(shù)次后，可以使電池的平均放電電壓恢復(fù)到接近100%，同時(shí)修復(fù)富鋰錳基正極材料的結(jié)構(gòu)損傷。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(guò)智能調(diào)控充電策略，可定期修復(fù)富鋰錳基正極材料的結(jié)構(gòu)問(wèn)題，進(jìn)而顯著延長(zhǎng)電池的使用壽命。

本項(xiàng)研究中過(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)院寧波材料所 供圖

劉兆平表示，研究發(fā)現(xiàn)，材料結(jié)構(gòu)的“混亂”和“有序”并非完全對(duì)立，而是可以相互轉(zhuǎn)化。這就像硬幣的兩面，科學(xué)家們正在研究如何控制這種轉(zhuǎn)化規(guī)律，從而在微觀尺度上設(shè)計(jì)出更高效、更耐用的富鋰錳基正極材料。

他透露，隨著先進(jìn)實(shí)驗(yàn)技術(shù)和人工智能的結(jié)合，材料設(shè)計(jì)正朝著“按需定制”的方向發(fā)展。未來(lái)，電動(dòng)汽車(chē)、電動(dòng)航空器等的鋰電池不僅能夠?qū)崿F(xiàn)更長(zhǎng)的續(xù)航能力，還可以通過(guò)這種“返老還童”手段實(shí)現(xiàn)超長(zhǎng)壽命，使鋰電池可以像“永葆青春”一樣持續(xù)使用。

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