下一代鋰電池有望“返老還童”
近日，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所研究團(tuán)隊(duì)，在下一代鋰電池富鋰錳基正極材料研究方面取得了一項(xiàng)突破性進(jìn)展。
該研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，富鋰錳基正極材料具有獨(dú)特的“遇熱收縮”特性，即“負(fù)熱膨脹”，這與自然界中大多數(shù)物質(zhì)“熱脹冷縮”的性質(zhì)截然不同。這種收縮行為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”。研究團(tuán)隊(duì)還提出了利用這一特性讓老化電池恢復(fù)性能的創(chuàng)新方法，這一發(fā)現(xiàn)為開發(fā)更智能、更耐用的下一代鋰電池提供了全新思路。
據(jù)悉，鋰電池材料主要包括正極材料、負(fù)極材料、隔膜、電解液等，其中，正極材料最常用的是磷酸鐵鋰和三元材料。“目前，很多電動(dòng)汽車行駛四五百公里后，電池就沒電了，主要原因是電池材料的比容量低。”中國科學(xué)院寧波材料所研究員劉兆平表示，未來，要想電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航提升至七八百公里甚至更長，發(fā)展高比容量、高電壓的正極材料來提升鋰電池能量密度十分關(guān)鍵。
在眾多材料中，富鋰錳基正極材料憑借優(yōu)勢脫穎而出。一方面，這種新材料放電比容量高達(dá)300毫安時(shí)/克，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；另一方面，它還具有顯著的成本優(yōu)勢。因此，富鋰錳基正極材料成為公認(rèn)的下一代鋰電池正極材料的熱門選擇。
然而，理想與現(xiàn)實(shí)之間存在一定差距。中國科學(xué)院寧波材料所副研究員邱報(bào)表示，作為一種氧活性正極材料，富鋰錳基正極材料在實(shí)際使用中面臨一個(gè)嚴(yán)重問題：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，這嚴(yán)重阻礙了其商業(yè)化應(yīng)用。
問題的癥結(jié)在哪里？研究團(tuán)隊(duì)深入探究發(fā)現(xiàn)，反復(fù)充放電過程中，富鋰錳基材料內(nèi)部的晶體結(jié)構(gòu)會遭到破壞，逐漸變得無序，就像原本整整齊齊的隊(duì)伍瞬間混亂，這種結(jié)構(gòu)的變化導(dǎo)致富鋰錳基電池使用壽命和效率大幅降低。不過，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)定的有序結(jié)構(gòu)。
基于此，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)出通過電化學(xué)手段讓老化富鋰錳基電池“返老還童”的新方法。“該方法利用電化學(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)。”劉兆平說。
不僅如此，研究團(tuán)隊(duì)還提出了簡單有效的修復(fù)策略：對富鋰錳基電池進(jìn)行低電壓充電（充電20%至30%）數(shù)次，可使電池的平均放電電壓恢復(fù)到接近100%，同時(shí)修復(fù)正極材料的結(jié)構(gòu)損傷，顯著延長電池使用壽命。劉兆平透露，目前科研團(tuán)隊(duì)正在與相關(guān)企業(yè)緊密對接，全力推動(dòng)科研成果走向市場。
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，電動(dòng)汽車、電動(dòng)航空器不僅具備更長的續(xù)航能力，鋰電池還可以實(shí)現(xiàn)超長壽命，為新能源領(lǐng)域發(fā)展帶來新變革。”劉兆平說。
原標(biāo)題：下一代鋰電池有望“返老還童”
文章來源：http://www.ce.cn/cysc/ny/gdxw/202504/25/t20250425_39349853.shtml
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