宁波材料所突破富锂锰基正极材料研究 提升锂电池能量密度30%以上

为了开发下一代高特异性能源锂电池技术，找到高特异性容量和高工作电压阳性电极材料并提高锂电池的能量密度已成为学术界的热门话题。

最近，中国科学院元博材料技术与工程研究所的电力锂电池工程实验室（以下称为Ningbo材料研究所）在对下一代锂电池的高基于锂基的阳性电极材料的高特异性研究方面取得了突破性的进步。

“老化”阻碍了电池的开发

富含锂的锰的正极材料的排放特异性远远超过了当前使用的商业使用的阳性电极材料（例如铁磷酸锂和三元材料），并且可以将电池能密度直接增加30％以上。

同时，富含锂的锰的阴极材料具有显着的成本优势。这使得富含锂的锰的阳性电极材料是下一代锂电池材料的开发方向。

但是，经过多次电荷和排放，将逐渐下降富含锂的锰电池的电压，并且将发生“老化”，这使得很难在商业上使用富含锂的锰电池。

原因是，在富含锂的锰的材料中，作为阳性电极，氧离子会发生变化，从而导致随后的还原反应成为滞后。充电期间注射的能量将超过放电过程中释放的能量，从而使一些能量无法有效释放。

尽管电池似乎已“死”，但实际上以晶格扭曲和结构障碍结构的形式存储了一些能量。这使得富含锂的锰的阳性电极材料在被压缩或拉伸后类似于弹簧的弹簧状态，即，尽管看起来稳定，但它在内部存储了额外的能量，并且可以随时释放。

正是这种过多的能源储存大大降低了富含锂锰的电池的性能和服务寿命和效率。

过渡金属与氧气活动中心与材料热膨胀之间关系的示意图

新功能带来新设计

宁波材料研究所的研究人员揭示了富含锂锰的阳性电极材料的“有趣”特性：加热时收缩，即“负热膨胀”。

通过使用这种特征，适当加热富含锂的锰的阳性电极材料可以消除外部应力对材料结构的影响，并将材料从无序状态恢复到更稳定和有序的结构，并具有较低的能量。

通过调节阳性电极材料的氧活性，可以灵活地控制热膨胀系数，以在正，零和阴性之间切换。根据新发现，该团队设计了“零热膨胀”阴极材料。

当温度变化时，这种新的正电极材料几乎不会改变体积，并有望解决由温度波动引起的体积变化问题，这将影响锂电池的寿命，从而为下一代高特异性能源锂电池技术的发展提供了新的可能性。

使电池“恢复活力”的新方法

研究小组还开发了一种新方法，可以通过电化学手段“使富含锂富含锂的锰的电池恢复”。

也就是说，让富含锂的锰的电池周期几次不充分充电（例如电荷的30％），这可以将电池的平均排放电压恢复到近100％，同时修复了富含锂的含岩石的阳性电极材料的结构损害。这一发现为延长富含锂的锰电池的寿命提供了新的想法。

相关研究发表在《自然》杂志上。审稿人说，该研究不仅促进了电池场的基本科学进步，而且其独创性和普遍性还为设计材料设计的新指导原则提供了新的指导原则，该原理具有重要的跨学科意义。

通过先进的实验技术和人工智能的结合，材料设计正在发展为“按需定制”。将来，电动汽车的锂电池可能会“复兴”并实现超长的寿命。