近日，中國科學院寧波材料技術與工程研究所的研究團隊在國際頂級期刊Nature上發表了一項關于鋰電池技術的突破性研究成果。這項研究由動力鋰電池工程實驗室的劉兆平研究員和邱報副研究員等人共同完成，揭示了高容量富鋰錳基正極材料在受熱時的反常晶格收縮現象。
該研究指出，富鋰錳基正極材料在充放電過程中展現出了非凡的潛力，其放電比容量高達300mAh/g，遠超現有正極材料，可大幅提升電池的能量密度30%以上。這一特性使得富鋰錳基正極材料成為下一代鋰電池正極材料的理想選擇，對于提高電動汽車、電動航空器等設備的續航里程具有重要意義。
然而，富鋰錳基正極材料在實際應用中面臨著電壓降和長期穩定性不足的問題。研究團隊通過深入研究發現，這一問題的根源在于材料在充放電過程中氧活性的顯著不對稱性。充電時的高能量輸入與放電時的低能量釋放導致晶格儲能持續累積，進而引發材料結構的不可逆轉變。
為了解決這一難題，研究團隊利用原位加熱同步輻射X射線衍射（SXRD）表征技術，首次捕捉到富鋰錳基正極材料在高溫下的反常收縮行為。這一發現打破了傳統固體材料“熱脹冷縮”的普遍規律，揭示了材料在150℃-250℃溫域內表現出的負熱膨脹（NTE）效應。
研究團隊進一步揭示了這一反常現象的物理化學本質，發現加熱條件下亞穩態材料中的結構無序向動態有序轉變是導致晶胞參數反常收縮的直接原因。基于此，團隊建立了可逆氧活性容量貢獻比γ與負熱膨脹系數α的定量關系，并通過化學組成調控成功制備出熱膨脹系數接近于零的新型材料。
這一研究在方法論層面取得了顯著突破，不僅發展了基于熱激活動力學的結構無序度動態表征技術，還提出了“結構無序度-功能特性”逆向設計策略。這種以無序調控有序的設計思想為開發零熱膨脹電極材料提供了新路徑，并開創了基于動態結構演化的功能材料研究范式。
研究團隊還構建了基于非平衡態熱力學的“電化學退火”模型，實現了亞穩態材料的動態調控。實驗證據表明，在4.0V臨界電壓條件下，富鋰錳基正極材料展現出獨特的電壓記憶效應，其晶格氧重構活化能顯著降低，驅動結構無序發生有序重組，實現了近100%的電壓修復。
這一系列發現為延長富鋰錳基電池壽命提供了新的解決思路。通過智能調控充電策略，可以定期修復富鋰錳基正極材料的結構問題，從而顯著延長電池的使用壽命。該研究不僅深化了對材料熱力學行為的理解，也為新型功能材料的設計和電池性能優化提供了重要的理論指導。
最后，研究團隊表示，他們將繼續深入研究富鋰錳基正極材料的性能優化和機制探索，為推動鋰電池技術的發展和應用做出更大的貢獻。
