讓電池“返老還童”！下一代鋰電池研發(fā)中國方案“新鮮出爐”

讓電池“返老還童”！下一代鋰電池研發(fā)中國方案“新鮮出爐”

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

實現(xiàn)電池“返老還童”

最近，中國科研團隊通過持續(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會“收縮”，可以幫助老化的電池恢復(fù)電壓，實現(xiàn)電池的“返老還童”，從而為開發(fā)更智能、更耐用的下一代鋰電池提供了全新思路。

研究團隊通過深入分析，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)的進一步發(fā)展提供了科學(xué)依據(jù)，還有望改變未來電池的設(shè)計和使用方式。

研究團隊進行富鋰錳基正極材料的電化學(xué)性能測試(從左到右：梁灝嚴(yán)博士，邱報副研究員，劉兆平研究員，顧可欣博士研究生)。中國科學(xué)院寧波材料所 供圖

這項鋰電池材料領(lǐng)域的突破性進展，由中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所(寧波材料所)動力鋰電池工程實驗室研究團隊與美國芝加哥大學(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熱膨脹性”為題，北京時間4月16日夜間在國際學(xué)術(shù)期刊《自然》上線發(fā)表。

《自然》期刊審稿人評價稱，實現(xiàn)電池“返老還童”的研究成果，不僅推動電池領(lǐng)域基礎(chǔ)科學(xué)進展，其原創(chuàng)性和普適性也為功能材料的設(shè)計提供了新的指導(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汽車、電動航空器等的續(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。

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300毫安時每克(mAh/g)，遠超目前商業(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，富鋰錳基正極材料具有顯著成本優(yōu)勢。所以，富鋰錳基正極材料是公認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，在實際使用中還存在一個嚴(yán)重的問題：經(jīng)過多次充放電后，富鋰錳基電池的電壓會逐漸下降，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題？論文第一作者、中國科學(xué)院寧波材料所邱報副研究員介紹說，在本項研究中，研究團隊揭示出富鋰錳基正極材料的有趣性質(zhì)：它在受熱時反而收縮，即“負熱膨脹”。

研究發(fā)現(xiàn)，對富鋰錳基正極材料進行適當(dāng)升溫可以消除外部應(yīng)力對材料結(jié)構(gòu)的影響，使材料從無序狀態(tài)恢復(fù)到更穩(wěn)定、能量更低的有序結(jié)構(gòu)。在這個過程中，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極的高比能鋰離子電池(圖中車輛為模型)。中國科學(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)無序提供了新方法，還幫助研究團隊設(shè)計出一種“零熱膨脹”正極材料。這種新型正極材料在溫度變化時幾乎不會發(fā)生體積變化，有望解決因溫度波動導(dǎo)致的鋰電池壽命縮短等問題，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。

研究團隊還發(fā)展出一種新方法，可以通過電化學(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)動力的相似性，將富鋰錳基正極材料從結(jié)構(gòu)無序、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“按需定制”

基于此，研究團隊提出一種簡單的修復(fù)策略：通過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，可定期修復(fù)富鋰錳基正極材料的結(jié)構(gòu)問題，進而顯著延長電池的使用壽命。

本項研究中過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)計出更高效、更耐用的富鋰錳基正極材料。

他透露，隨著先進實驗技術(shù)和人工智能的結(jié)合，材料設(shè)計正朝著“按需定制”的方向發(fā)展。未來，電動汽車、電動航空器等的鋰電池不僅能夠?qū)崿F(xiàn)更長的續(xù)航能力，還可以通過這種“返老還童”手段實現(xiàn)超長壽命，使鋰電池可以像“永葆青春”一樣持續(xù)使用。

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