电动车续航焦虑有救了？电池的“返老还童术”了解一下

用了五年的老手机，电池还和新机一样耐用，充电10分钟又能满血复活？

电动汽车轻松突破1000公里续航，告别里程焦虑？

这些听起来是不是更像科幻电影里的场景？在当今电子产品高度普及、新能源交通工具快速发展的时代，电池容量和续航能力却一直是制约相关行业发展的主要瓶颈之一。而要想突破这个技术壁垒，关键就在于设备的核心动力来源——锂电池的性能突破。

（图片来源：veer图库）

最近，中国科学院宁波材料技术与工程研究所的科学家在下一代锂电池研究中取得了突破性进展，提出利用富锂锰基正极材料遇热收缩的特性让老化电池恢复性能。通俗来说，他们发现了一个让锂电池“返老还童”的秘密。

锂电池正极材料的“明星选手”

锂电池主要由正极材料、负极材料、隔膜、电解液等部分组成，其中正极材料是提升锂电池能量密度的关键部件，目前最常用的是磷酸铁锂和三元材料。要让电动汽车和电动航空器等设备拥有超长的续航里程，关键就在于发展下一代锂电池技术，开发高比容量、高电压的正极材料。

注：比容量是单位质量（或体积）的正极材料在充放电过程中能存储或释放的电荷量，是衡量其电化学性能的关键指标之一。

在众多锂电池正极材料中，富锂锰基正极材料可谓是“明星选手”。它不仅比容量大，还更经济实惠，这主要得益于两个独特优势：

一是超高比容量。简单来说，如果普通三元锂电池是500ml的矿泉水瓶，富锂锰基电池就是650ml的大瓶装，理想情况下能让电动车续航提升30%以上。

二是更低的成本。富锂锰基正极材料主要使用地球上储量丰富的锰元素，镍钴元素占比小，与三元正极材料相比，其原料成本显著降低。

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

（图片来源：中国科学院宁波材料技术与工程研究所）

富锂锰基正极材料的“老年危机”

不过，富锂锰基正极材料目前有个小缺点——就像运动员容易疲劳一样，随着充放电次数增加，电池电压会逐渐下降（专业术语为电压衰减）。就像手机用久了，电池会越来越不耐用。科学家们正在努力攻克这个难题，希望能同时保持它的“爆发力”（高比能）和“持久力”（长循环）。这个技术突破一旦实现，将彻底改变电动汽车和电动飞机的续航能力。

科学家决定从正极材料的微观结构入手。氧元素就像自然界中的“社交达人”，它最喜欢两种“社交状态”：一种是在固体化合物中作为安静的氧离子（O^2-），就像一个人独处；另一种是结成氧气分子（O₂）的双人组合，就像和朋友手拉手逛街。

在富锂锰基正极材料工作时，氧元素会发生一个有趣的“社交状态转换”：当电池充电时，原本安静的氧离子（O^2-）会被迫交出电子，然后它们就会急切地寻找伙伴形成氧气分子（O₂）。这个过程会破坏材料的晶格结构，就像派对上突然有人开始组队跳舞，打乱了原本整齐的座位安排。

这种“社交混乱”会带来两个问题：

一是能量损耗问题。材料晶格扭曲会储存能量，这就导致充电时输入的能量无法在放电时完全释放，造成能量损失。就像你往账户存了100元却只能取出80元，剩下的20元变成了无法使用的“虚拟货币”。

二是材料疲劳问题。氧原子反复的“组队-解散”过程，会让材料像被反复折叠的纸一样产生折痕并逐渐开裂、断裂，最终影响电池寿命。

这就好比一个弹簧玩具，每次使用时都有一部分能量被“卡”在变形的弹簧里。虽然看起来弹簧已经恢复原状，实际上内部已经积累了疲劳。正是这种“能量滞留”现象，使得富锂锰基电池的性能和寿命大打折扣。

遇热收缩的“魔法变身”

那怎么办呢？科学家们经过深入研究，发现了富锂锰基正极材料的一个神奇特性：与一般材料受热膨胀不同，它在受热时反而会收缩，这就是负热膨胀性。研究发现，对富锂锰基正极材料进行适当升温，可以消除外部应力对材料结构的影响，让材料从无序状态恢复到更稳定、能量更低的有序结构。在这个过程中，正极材料的原子排列变得更紧密，就像一群好朋友抱得更紧一样，导致体积缩小，表现出遇热收缩的特性。

阴/阳离子活性中心与材料热膨胀性的关系示意图

（图片来源：中国科学院宁波材料技术与工程研究所）

更神奇的是，通过调节富锂锰基正极材料的氧活性，科学家可以灵活控制其热膨胀系数，让它在正、零、负之间自由切换。这为量化富锂锰基正极材料的结构无序提供了新方法，就像给科学家们提供了一把神奇的尺子，帮助他们设计出“零热膨胀”正极材料。这种新型正极材料在温度变化时几乎不会发生体积变化，有望解决因温度波动导致的锂电池寿命缩短等问题，为下一代高比能锂电池技术的发展提供了新的可能性。

让老化的电池“逆生长”

基于富锂锰基正极材料受热收缩的特性，科学家发明了“返老还童术”，能让老化的富锂锰基电池重新焕发活力。

这项技术的原理其实很好理解：电池用久了，电极材料内部结构会变得像倒塌的积木一样杂乱。研究人员发现，只要让电池在30%电量左右循环充放电几次，这个过程中，电能会像“无形的手”一样，把富锂锰基正极材料杂乱的内部结构重新排列整齐。

这种“电疗”效果体现在三方面：

• 一是电压恢复，处理后的电池电压能恢复到接近全新的水平（约100%）；

• 二是操作简便，只需要调整充电方式，无需额外设备；

• 三是定期维护，可以像汽车保养一样定期给电池做“电疗”。

最令人兴奋的是，这项技术可以直接应用于现有的充电系统。未来我们的手机、电动汽车或许都能通过智能充电管理系统，定期自动进行这种“电疗保养”，从而大幅延长锂电池寿命，不仅能节省更换电池的费用，还能减少电子垃圾，可谓一举多得。

科研团队进行富锂锰基正极材料的电化学性能测试

（图片来源：中国科学院宁波材料技术与工程研究所）

电池技术的未来畅想

这项由中国科学家主导的突破性研究，不仅为锂电池技术开辟了全新路径，更让我们看到了未来能源存储的无限可能。想象一下，未来的锂电池掌握“返老还童”的黑科技，将像一位“不老超人”，显著延长智能手机的使用寿命和电动汽车的续航里程。同时，通过结合先进的实验设备和人工智能技术，我们还可以像定制西装一样，根据应用场景需要设计先进电池材料。

随着锂电池技术的不断完善和应用，我们有理由相信，未来的电池将更加智能、耐用，为我们的生活带来更多便利和惊喜。

作者：邱报

作者单位：中国科学院宁波材料技术与工程研究所

本文由科普中国出品，中国科普博览监制， “科普中国”是中国科协携同社会各方利用信息化手段开展科学传播的科学权威品牌。

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