■本报记者 张楠

有没有可能让老化的锂电池重返“青春”、重塑健康？中国科学院宁波材料技术与工程研究所（以下简称宁波材料所）动力锂电池工程实验室研究团队发现，通过软件管理等操作实现锂电池“返老还童”指日可待。

该团队发现，富锂锰基正极材料受热时会“收缩”。他们通过揭示这种遇热收缩特性与富锂锰基电池工作机制之间的内在联系，提出了让老化的富锂锰基电池恢复性能的创新方法。

该成果为高比能电池技术的进一步发展提供了科学依据，有望改变未来电池的设计和使用方式。相关研究近日发表于《自然》。

突破锂电池能量密度“天花板”

要更大限度提高电动汽车、电动航空器等的续航里程，就必须发展下一代高比能锂电池技术。

宁波材料所研究员刘兆平告诉《中国科学报》，富锂锰基正极材料除了具有显著成本优势，还具有氧阴离子氧化还原的额外容量，其放电比容量高达300mAh/g，远超目前商业化应用的磷酸铁锂和三元材料等正极材料，可直接将电池能量密度提升30%以上。

富锂锰基正极材料是公认的下一代锂电池正极理想候选材料，但由于内部因氧活性导致有序结构向无序结构转变的特点，以该材料为正极的锂电池经过多次充放电后，电压会逐渐下降，出现“老化”现象。

“这个天然缺陷导致富锂锰基电池一直未能实现真正的应用。”刘兆平表示，如何让这种电池既能保持高能量密度又能长期稳定工作，成为亟待解决的难题。

在2017年的一次失败试验中，宁波材料所副研究员邱报偶然观察到该材料的反常现象——遇热收缩。

邱报解释说：“热缩现象比较罕见，自然界中只有水有这样的特性。不过在功能固体材料学术界，这种被称为‘负热膨胀’的特性是热门领域，有很多学者在研究。”

尽管发现了罕见特性，但对于材料化学家来说，要解释这种现象背后的物理机制，并非一帆风顺。

负热膨胀特性：可修复结构

邱报起初在实验室做了前期的实验和总结，在梳理好工作脉络后，交给一位专门研究富锂锰基正极材料的博士生做毕业课题，结果两年后仍进展缓慢。学生直言：“太难了！”

邱报非常理解学生的难处，决定自行推进这项研究。他又花了数年时间，学习了负热膨胀领域的大量文献，并利用上海同步辐射光源、中国散裂中子源等大科学装置做了大量实验表征，从而解释了富锂锰基正极材料“遇热收缩”蕴藏的科学原理。

氧元素在自然界中主要以两种形式存在，一种是固体氧化物中的氧离子，另一种是氧气分子。在氧活性正极材料中，氧离子在氧化反应中会失去电子，并倾向于结合形成氧气分子。

这一过程会致使材料晶格中的氧离子位置发生变化，从而破坏原有的有序结构。这种结构变化，使得后续的还原反应变得滞后。

同样，在使用具有氧活性的富锂锰基正极材料锂电池时，氧离子在经历滞后的还原反应后，充电时注入的能量会超过放电时释放的能量，导致部分能量未能有效释放。

“这时电池会显示‘没电’，但实际上仍有部分能量以晶格扭曲和结构无序的形式储存在材料中。”邱报表示，此时富锂锰基正极材料处于一种亚稳态，类似于弹簧被压缩或拉伸后的状态——虽然看起来稳定，但内部储存了额外的能量，随时可能释放。

正是这种能量的过度储存，导致了富锂锰基电池的使用寿命和效率大打折扣。

而适当的加热过程，则可以消除外部应力对富锂锰基正极材料结构的影响，使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，该材料的原子排列变得更加紧密、体积缩小，从而表现出“遇热收缩”的特性。

电化学修复：富锂锰基电池的“青春密码”

“实际操作中，当然不可能拿火等其他热源直接加热一块成品电池。”刘兆平解释了他们之后的工作。

一方面，通过调节富锂锰基正极材料的氧活性，可以灵活控制热膨胀系数，使其在正、零、负之间切换。因此，团队设计出一种“零热膨胀”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。

另一方面，研究团队发展了一种新方法，可以通过电化学手段让老化的富锂锰基电池“返老还童”。

这种方法利用了电化学和热化学驱动力的相似性，将该材料结构从无序、不稳定的状态“重置”回接近原始的有序状态，使电池恢复“青春”。

基于此，研究团队提出了一种简单的修复策略，即通过智能调控，控制富锂锰基电池充至30%左右电量，循环数次后可以使电池的平均放电电压恢复到接近100%，同时修复该正极材料的结构损伤，进而显著延长电池寿命。

《自然》审稿人评价称，研究团队首次引入负热膨胀概念，成功建立了结构无序程度的量化方法，并首次发现富锂锰基正极材料结构无序态，在温度或电化学驱动下可逆转为有序态的现象，突破了传统电极材料结构转变的理论框架，其原创性和普适性也为功能材料的设计提供了新的指导原则。

有趣的是，材料结构的“混乱”和“有序”不是完全对立的，而是可以相互转化的，就像硬币的两面。科研人员正在研究如何控制这种转化规律，从而在微观尺度上设计出更高效、更耐用的富锂锰基正极材料。

相关论文信息：

https://doi.org/10.1038/s41586-025-08765-x