我国科学家新发现：富锂锰基电池“遇热缩”，或让锂电池重获新生
近日，中国科学院宁波材料技术与工程研究所的研究团队在国际顶级期刊Nature上发表了一项关于锂电池技术的突破性研究成果。这项研究由动力锂电池工程实验室的刘兆平研究员和邱报副研究员等人共同完成，揭示了高容量富锂锰基正极材料在受热时的反常晶格收缩现象。
该研究指出，富锂锰基正极材料在充放电过程中展现出了非凡的潜力，其放电比容量高达300mAh/g，远超现有正极材料，可大幅提升电池的能量密度30%以上。这一特性使得富锂锰基正极材料成为下一代锂电池正极材料的理想选择，对于提高电动汽车、电动航空器等设备的续航里程具有重要意义。
然而，富锂锰基正极材料在实际应用中面临着电压降和长期稳定性不足的问题。研究团队通过深入研究发现，这一问题的根源在于材料在充放电过程中氧活性的显著不对称性。充电时的高能量输入与放电时的低能量释放导致晶格储能持续累积，进而引发材料结构的不可逆转变。
为了解决这一难题，研究团队利用原位加热同步辐射X射线衍射（SXRD）表征技术，首次捕捉到富锂锰基正极材料在高温下的反常收缩行为。这一发现打破了传统固体材料“热胀冷缩”的普遍规律，揭示了材料在150℃-250℃温域内表现出的负热膨胀（NTE）效应。
研究团队进一步揭示了这一反常现象的物理化学本质，发现加热条件下亚稳态材料中的结构无序向动态有序转变是导致晶胞参数反常收缩的直接原因。基于此，团队建立了可逆氧活性容量贡献比γ与负热膨胀系数α的定量关系，并通过化学组成调控成功制备出热膨胀系数接近于零的新型材料。
这一研究在方法论层面取得了显著突破，不仅发展了基于热激活动力学的结构无序度动态表征技术，还提出了“结构无序度-功能特性”逆向设计策略。这种以无序调控有序的设计思想为开发零热膨胀电极材料提供了新路径，并开创了基于动态结构演化的功能材料研究范式。
研究团队还构建了基于非平衡态热力学的“电化学退火”模型，实现了亚稳态材料的动态调控。实验证据表明，在4.0V临界电压条件下，富锂锰基正极材料展现出独特的电压记忆效应，其晶格氧重构活化能显著降低，驱动结构无序发生有序重组，实现了近100%的电压修复。
这一系列发现为延长富锂锰基电池寿命提供了新的解决思路。通过智能调控充电策略，可以定期修复富锂锰基正极材料的结构问题，从而显著延长电池的使用寿命。该研究不仅深化了对材料热力学行为的理解，也为新型功能材料的设计和电池性能优化提供了重要的理论指导。
最后，研究团队表示，他们将继续深入研究富锂锰基正极材料的性能优化和机制探索，为推动锂电池技术的发展和应用做出更大的贡献。
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