近日，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所的研究團隊在國際頂級期刊Nature上發(fā)表了一項關(guān)于鋰電池技術(shù)的突破性研究成果。這項研究由動力鋰電池工程實驗室的劉兆平研究員和邱報副研究員等人共同完成，揭示了高容量富鋰錳基正極材料在受熱時的反常晶格收縮現(xiàn)象。

該研究指出，富鋰錳基正極材料在充放電過程中展現(xiàn)出了非凡的潛力，其放電比容量高達(dá)300mAh/g，遠(yuǎn)超現(xiàn)有正極材料，可大幅提升電池的能量密度30%以上。這一特性使得富鋰錳基正極材料成為下一代鋰電池正極材料的理想選擇，對于提高電動汽車、電動航空器等設(shè)備的續(xù)航里程具有重要意義。

然而，富鋰錳基正極材料在實際應(yīng)用中面臨著電壓降和長期穩(wěn)定性不足的問題。研究團隊通過深入研究發(fā)現(xiàn)，這一問題的根源在于材料在充放電過程中氧活性的顯著不對稱性。充電時的高能量輸入與放電時的低能量釋放導(dǎo)致晶格儲能持續(xù)累積，進(jìn)而引發(fā)材料結(jié)構(gòu)的不可逆轉(zhuǎn)變。

為了解決這一難題，研究團隊利用原位加熱同步輻射X射線衍射（SXRD）表征技術(shù)，首次捕捉到富鋰錳基正極材料在高溫下的反常收縮行為。這一發(fā)現(xiàn)打破了傳統(tǒng)固體材料“熱脹冷縮”的普遍規(guī)律，揭示了材料在150℃-250℃溫域內(nèi)表現(xiàn)出的負(fù)熱膨脹（NTE）效應(yīng)。

研究團隊進(jìn)一步揭示了這一反常現(xiàn)象的物理化學(xué)本質(zhì)，發(fā)現(xiàn)加熱條件下亞穩(wěn)態(tài)材料中的結(jié)構(gòu)無序向動態(tài)有序轉(zhuǎn)變是導(dǎo)致晶胞參數(shù)反常收縮的直接原因。基于此，團隊建立了可逆氧活性容量貢獻(xiàn)比γ與負(fù)熱膨脹系數(shù)α的定量關(guān)系，并通過化學(xué)組成調(diào)控成功制備出熱膨脹系數(shù)接近于零的新型材料。

這一研究在方法論層面取得了顯著突破，不僅發(fā)展了基于熱激活動力學(xué)的結(jié)構(gòu)無序度動態(tài)表征技術(shù)，還提出了“結(jié)構(gòu)無序度-功能特性”逆向設(shè)計策略。這種以無序調(diào)控有序的設(shè)計思想為開發(fā)零熱膨脹電極材料提供了新路徑，并開創(chuàng)了基于動態(tài)結(jié)構(gòu)演化的功能材料研究范式。

研究團隊還構(gòu)建了基于非平衡態(tài)熱力學(xué)的“電化學(xué)退火”模型，實現(xiàn)了亞穩(wěn)態(tài)材料的動態(tài)調(diào)控。實驗證據(jù)表明，在4.0V臨界電壓條件下，富鋰錳基正極材料展現(xiàn)出獨特的電壓記憶效應(yīng)，其晶格氧重構(gòu)活化能顯著降低，驅(qū)動結(jié)構(gòu)無序發(fā)生有序重組，實現(xiàn)了近100%的電壓修復(fù)。

這一系列發(fā)現(xiàn)為延長富鋰錳基電池壽命提供了新的解決思路。通過智能調(diào)控充電策略，可以定期修復(fù)富鋰錳基正極材料的結(jié)構(gòu)問題，從而顯著延長電池的使用壽命。該研究不僅深化了對材料熱力學(xué)行為的理解，也為新型功能材料的設(shè)計和電池性能優(yōu)化提供了重要的理論指導(dǎo)。

最后，研究團隊表示，他們將繼續(xù)深入研究富鋰錳基正極材料的性能優(yōu)化和機制探索，為推動鋰電池技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用做出更大的貢獻(xiàn)。