面向下一代高比能锂电池的技术瓶颈，中国科学院宁波材料技术与工程研究所动力锂电池工程实验室取得重要进展。研究人员首次发现富锂锰基正极材料的“热缩”特性，并巧妙利用这一特性帮助富锂锰基正极材料实现“返老还童”，让老化的电池恢复电压，为开发更智能、更耐用的下一代锂电池提供全新思路。4月16日，相关研究成果在《自然》发表。
与目前已经商业化应用的磷酸铁锂和三元材料等正极材料相比，富锂锰基正极材料更加“电力十足”，放电比容量达300毫安时每克，可以将电池能量密度提升30%以上，同时兼具显著的成本优势。“新能源汽车乃至低空经济的发展需要长续航的动力电池，而要让电动汽车续航提升至七八百公里甚至更长，富锂锰基正极材料的作用非常关键。”中国科学院宁波材料所研究员刘兆平说。
富锂锰基正极材料及基于富锂锰基正极和硅碳负极的高比能锂离子电池
当然，富锂锰基正极材料也有缺点，它的使用寿命和电压稳定性仍存在短板，目前还难以替代现有的商业化电池材料。刘兆平介绍，反复充放电过程中，富锂锰基材料内部的晶体结构逐渐变得无序，导致电池电压逐渐下降，出现老化现象。“这更像是我们常说的‘虚电’，虽然电池显示缺电，仍然有部分能量以晶格扭曲和结构无序的形式储存在其中，只是无法释放出来。”
一个偶然的机会，团队成员在实验过程中，在世界上首次发现了富锂锰基材料的特殊性质——受热收缩。这意味着，通过适当加热，材料在收缩过程中可以让原子排列得更紧密，实现晶体重新整齐列队，电池电压也能快速恢复。“我们通过大科学装置，反复‘照亮’材料的内部结构，终于解析出它背后的原理。”中国科学院宁波材料所副研究员邱报感慨，通过控制材料结构从混乱到有序的转化规律，团队就能在微观尺度上设计出更高效、更耐用的材料。
科研团队进行富锂锰基正极材料的电化学性能测试（从左到右：梁灏严、邱报、刘兆平、顾可欣）
基于这项技术，团队研发出一套简单的电池修复策略，可帮助富锂锰基电池恢复“出厂设置”。刘兆平表示，目前，借助这一策略，富锂锰基电池可以实现近千次的充放循环。“这是目前科学界最有效解决富锂锰基电池弱点的方案，当然，这与目前新能源汽车的循环还有一定差距，我们还要继续努力。”他说，目前科研团队正在与相关企业对接，希望尽快将材料推向市场，预计在3年内，富锂锰基电池能实现初步应用，2030年有望实现规模化商业应用。本次研究成果不仅为高比能电池技术的进一步发展提供了科学依据，还有望改变未来电池的设计和使用方式。
记者：刘苏雅
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