讓電池「返老還童」，科研人員為開發耐用鋰電池提供新思路

近日，中國科學院寧波材料技術與工程研究所動力鋰電池工程實驗室研究團隊在下一代鋰電池高比容量富鋰錳基正極材料研究方面取得了一項突破性進展。他們發現這種正極材料在受熱時會「收縮」，這種收縮行為可以幫助老化的電池恢復電壓，實現電池的「返老還童」。這一發現為開發更智能、更耐用的下一代鋰電池提供了全新思路。相關研究成果於香港時間4月16日23:00在線發表於國際學術期刊《自然》。

富鋰錳基材料電池續航可提高30%-50%

鋰電池材料主要包含正極材料、負極材料、隔膜、電解液等。鋰電池正極材料中最常用的包括磷酸鐵鋰和三元材料。鋰電池負極材料以天然石墨和人造石墨為主。

中國科學院寧波材料技術與工程研究所研究員劉兆平說，目前，電動汽車行駛四五百公里後，電池就沒有電了，這主要是因為電池材料比容量低。電動汽車、低空經濟電動航空器等迫切需要長續航動力電池，因此發展高比容量、高工作電壓正極材料以提升鋰電池能量密度成為研究熱點。

富鋰錳基正極材料已經發現20餘年了，其放電比容量高達300毫安時/克，遠超目前商業化應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，意味著續航可以提高30%-50%；同時，富鋰錳基正極材料具有成本優勢，其原材料每噸比三元材料略低，每瓦時電池成本可以媲美磷酸鐵鋰材料電池。因此，富鋰錳基正極材料是公認的下一代鋰電池正極材料方向。

採用新方法，電池充放電次數或可翻番

不過，富鋰錳基正極材料也有弱點，在反復充放電過程中，富鋰錳基正極材料內部晶體結構逐漸由有序轉變成無序結構，導致電池的電壓降低，出現所謂的「老化」現象。這使得富鋰錳基電池目前仍然難以獲得實際商業化應用。

在此次研究中，科研人員發現，富鋰錳基正極材料有個有趣的性質：它在受熱時反而收縮，即「負熱膨脹」。對富鋰錳基正極材料進行適當升溫可以消除外部應力對材料結構的影響，使材料從無序狀態轉變到更穩定、能量更低的有序結構。在這個過程中，該正極材料的原子排列變得更加緊密，導致體積縮小，從而表現出「熱縮」的特性。

基於此，研究團隊提出了一種簡單的修復策略，讓老化的富鋰錳基電池「恢復青春」——對富鋰錳基電池進行低電壓充電（充電20%-30%）數次，可以使電池的平均放電電壓恢復到接近100%，同時修復富鋰錳基正極材料的結構損傷。這一發現為延長富鋰錳基電池的壽命提供了新思路。

劉兆平說，目前富鋰錳基電池大約可以充放電500次，如果通過智能調控充電策略，利用電池管理系統在富鋰錳基電池工作一段時間後，通過自主啟動20%-30%的「淺充電」數次後，可實現結構修復延長電池壽命，預計電池充放電可以達到1000次。

據他介紹，業內預測，富鋰錳基材料鋰電池預計兩年後，即2027年能進行初步應用，2030年進行規模化應用。

新京報記者 張璐

編輯 張牽 校對 李立軍