中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊：為了發(fā)展下一代高比能鋰電池技術(shù)，尋找高比容量、高工作電壓正極材料，提升鋰電池能量密度成為學(xué)界研究熱點(diǎn)。
日前，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所（以下簡稱寧波材料所）動(dòng)力鋰電池工程實(shí)驗(yàn)室，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突破性進(jìn)展。
“老化” 阻礙電池發(fā)展
富鋰錳基正極材料的放電比容量，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。
同時(shí)，富鋰錳基正極材料具有顯著成本優(yōu)勢。這使得富鋰錳基正極材料成為下一代鋰電池材料的發(fā)展方向。
但經(jīng)過多次充放電后，富鋰錳基電池的電壓會(huì)逐漸下降，出現(xiàn)“老化”現(xiàn)象，這使得富鋰錳基電池目前難以實(shí)現(xiàn)商業(yè)應(yīng)用。
究其原因，是作為正極的富鋰錳基材料中，氧離子位置發(fā)生變化，使得后續(xù)的還原反應(yīng)變得滯后，在充電時(shí)注入的能量會(huì)超過放電時(shí)釋放的能量，使得部分能量未能有效釋放。
導(dǎo)致電池雖然顯示為“沒電”，但實(shí)際上仍有部分能量以晶格扭曲和結(jié)構(gòu)無序的形式儲(chǔ)存在材料中。這使得富鋰錳基正極材料，處于一種類似于彈簧被壓縮或拉伸后的亞穩(wěn)態(tài)，即雖然看起來穩(wěn)定，但內(nèi)部儲(chǔ)存了額外的能量，隨時(shí)可能釋放。
正是這種能量的過度儲(chǔ)存，導(dǎo)致了富鋰錳基電池性能使用壽命和效率大打折扣。
過渡金屬和氧活性中心與材料的熱膨脹性的關(guān)系示意圖
新特性帶來新設(shè)計(jì)
寧波材料所的科研人員，揭示了富鋰錳基正極材料的一個(gè)“有趣”性質(zhì)：在受熱時(shí)收縮，即“負(fù)熱膨脹”。
利用該特性，對富鋰錳基正極材料進(jìn)行適當(dāng)升溫，就可以消除外部應(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、能量更低的有序結(jié)構(gòu)。
通過調(diào)節(jié)正極材料的氧活性，可以靈活控制其熱膨脹系數(shù)，使其在正、零、負(fù)之間切換?；谛掳l(fā)現(xiàn)，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出了一種“零熱膨脹”正極材料。
這種新型正極材料在溫度變化時(shí)幾乎不會(huì)發(fā)生體積變化，有望解決因溫度波動(dòng)導(dǎo)致體積變化，進(jìn)而影響鋰電池壽命的問題，為下一代高比能鋰電池技術(shù)的發(fā)展提供了新的可能性。
新辦法讓電池“返老還童”
研究團(tuán)隊(duì)還發(fā)展了一種新方法，可以通過電化學(xué)手段讓老化的富鋰錳基電池“返老還童”。
即讓富鋰錳基電池在不充滿電（如30%的電量）條件下持續(xù)循環(huán)數(shù)次，可以使電池的平均放電電壓恢復(fù)到接近100%，同時(shí)修復(fù)富鋰錳基正極材料的結(jié)構(gòu)損傷。這一發(fā)現(xiàn)為延長富鋰錳基電池的壽命提供了新思路。
相關(guān)研究發(fā)表于《自然》期刊，審稿人表示，該研究不僅推動(dòng)了電池領(lǐng)域的基礎(chǔ)科學(xué)進(jìn)展，其原創(chuàng)性和普適性也為功能材料的設(shè)計(jì)提供了新的指導(dǎo)原則，具有重要的跨學(xué)科意義。
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，或可讓電動(dòng)汽車的鋰電池“返老還童”，實(shí)現(xiàn)超長壽命。
