圖片來源：中科院之聲
據(jù)“中科院之聲”消息，日前，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所（簡稱：寧波材料所）動力鋰電池工程實驗室，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。
據(jù)了解，中科院寧波材料所動力鋰電池工程實驗室劉兆平研究員、邱報副研究員等人在國際學(xué)術(shù)期刊Nature上在線發(fā)表了題為“Negative-thermal expansion and oxygen-redox electrochemistry”的研究論文。他們發(fā)現(xiàn)高容量富鋰錳基正極材料在受熱時出現(xiàn)晶格收縮的反常現(xiàn)象，而這種“遇熱收縮”行為可以幫助老化的鋰電池恢復(fù)電壓 。
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，且具有顯著成本優(yōu)勢，能夠直接將電池能量密度提升30%以上。但經(jīng)過多次充放電后，富鋰錳基電池的電壓會逐漸下降，出現(xiàn)“老化”現(xiàn)象，這使得富鋰錳基電池目前難以實現(xiàn)商業(yè)應(yīng)用。
產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是在作為正極的富鋰錳基材料中，氧離子位置發(fā)生變化，使后續(xù)的還原反應(yīng)變得滯后，在充電時注入的能量會超過放電時釋放的能量，使得部分能量未能有效釋放，導(dǎo)致電池雖然顯示為“沒電”，但實際上仍有部分能量以晶格扭曲和結(jié)構(gòu)無序的形式儲存在材料中。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)部儲存了額外的能量，隨時可能釋放。
正是這種能量的過度儲存，導(dǎo)致了富鋰錳基電池性能使用壽命和效率大打折扣。
中科院寧波材料所的科研人員揭示了富鋰錳基正極材料的一個“有趣”性質(zhì)：在受熱時收縮，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。基于新發(fā)現(xiàn)，團(tuán)隊設(shè)計出了一種“零熱膨脹”正極材料。這種新型正極材料在溫度變化時幾乎不會發(fā)生體積變化，有望解決因溫度波動導(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。
研究團(tuán)隊還發(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。
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