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17

2025

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Nature刊文！國(guó)家石墨烯創(chuàng)新中心主任劉兆平等人在新一代鋰電池正極材料研究有重大發(fā)現(xiàn)

作者:

　　4月16日，中國(guó)科學(xué)院寧波材料所研究員、國(guó)家石墨烯創(chuàng)新中心主任劉兆平等人在國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊Nature上發(fā)表了題為“Negative-thermal expansion and oxygen-redox electrochemistry”(中譯：負(fù)熱膨脹和氧氧化還原電化學(xué))的研究論文(鏈接：https://doi.org/10.1038/s41586-025-08765-x)。他們發(fā)現(xiàn)高容量富鋰錳基正極材料在受熱時(shí)出現(xiàn)晶格收縮反常現(xiàn)象，而這種“遇熱收縮”行為竟然可以幫助老化的鋰電池恢復(fù)電壓，讓鋰電池“返老還童”。這一發(fā)現(xiàn)為開(kāi)發(fā)更智能、更耐用的下一代高比能鋰電池提供了全新的思路，有望改變未來(lái)電池的設(shè)計(jì)和使用方式。

　　要提高電動(dòng)汽車(chē)、電動(dòng)航空器等續(xù)航里程，發(fā)展高比能鋰電池技術(shù)是關(guān)鍵。富鋰錳基正極材料因其陰離子(氧)氧化還原的額外容量，放電比容量高達(dá)300mAh/g，遠(yuǎn)超現(xiàn)有正極材料，可提升電池能量密度30%以上，且成本優(yōu)勢(shì)顯著，被視為下一代鋰電池正極材料的理想候選。

　　然而，富鋰錳基正極材料在實(shí)際應(yīng)用中存在電壓降，影響其長(zhǎng)期穩(wěn)定性。這一問(wèn)題的根源在于其在充放電過(guò)程中氧活性呈現(xiàn)顯著不對(duì)稱(chēng)性，也就是充電時(shí)的高能量輸入與放電時(shí)的低能量釋放，進(jìn)而導(dǎo)致晶格儲(chǔ)能持續(xù)累積。這種能量失衡驅(qū)動(dòng)材料發(fā)生不可逆結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，其本質(zhì)源于氧活性與晶格穩(wěn)定性的動(dòng)態(tài)平衡失穩(wěn)。當(dāng)氧反應(yīng)活性突破晶格承載閾值時(shí)，正反饋機(jī)制加速結(jié)構(gòu)損傷，引發(fā)電壓衰減和容量衰退。因此，如何讓高能量密度鋰電池實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期穩(wěn)定工作，已成為下一代鋰電池技術(shù)領(lǐng)域亟需解決的難題。

　　研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)原位加熱同步輻射X射線(xiàn)衍射(SXRD)表征技術(shù)，首次捕捉到富鋰錳基正極材料在高溫下的反常收縮行為，并證實(shí)了這種現(xiàn)象在其它氧活性正極材料中的普適性。這一反常現(xiàn)象有悖于傳統(tǒng)固體材料普遍遵循的“熱脹冷縮”規(guī)律，具體表現(xiàn)為：在150℃-250℃溫域內(nèi)，富鋰錳基正極材料晶胞體積不僅未隨溫度升高膨脹，反而表現(xiàn)出反常收縮的負(fù)熱膨脹(NTE)效應(yīng)。

　　這一發(fā)現(xiàn)突破了經(jīng)典熱膨脹理論的解釋框架，揭示了結(jié)構(gòu)無(wú)序性對(duì)材料熱力學(xué)行為的特殊調(diào)控機(jī)制，為新型功能材料設(shè)計(jì)提供了全新方向。這一現(xiàn)象首次將結(jié)構(gòu)無(wú)序性與晶格熱力學(xué)行為直接關(guān)聯(lián)，為理解氧活性正極材料體系的復(fù)雜儲(chǔ)能機(jī)制提供了新視角。

圖1-陰/陽(yáng)離子活性中心與材料熱膨脹性的關(guān)系示意

　　為闡明NTE效應(yīng)的物理化學(xué)本質(zhì)，研究團(tuán)隊(duì)結(jié)合充放電測(cè)試與熱力學(xué)計(jì)算，揭示了氧框架結(jié)構(gòu)無(wú)序的可逆轉(zhuǎn)變機(jī)制：在加熱條件下，可實(shí)現(xiàn)亞穩(wěn)態(tài)材料中的結(jié)構(gòu)無(wú)序向動(dòng)態(tài)有序轉(zhuǎn)變，而這一過(guò)程直接導(dǎo)致晶胞參數(shù)的反常收縮。基于此，團(tuán)隊(duì)建立了可逆氧活性容量貢獻(xiàn)比γ與負(fù)熱膨脹系數(shù)α的定量關(guān)系：α = -0.463γ + 14.4×10-6 ℃-1。根據(jù)該定量關(guān)系，通過(guò)化學(xué)組成調(diào)控富鋰錳基正極材料中氧活性容量貢獻(xiàn)，研究團(tuán)隊(duì)成功制備出熱膨脹系數(shù)接近于零的新型材料，實(shí)現(xiàn)了從現(xiàn)象觀測(cè)到定量設(shè)計(jì)的跨越。

圖2-富鋰正極材料的氧活性與負(fù)熱膨脹性

　　這一研究在方法論層面取得兩方面突破：一是發(fā)展了基于熱激活動(dòng)力學(xué)的結(jié)構(gòu)無(wú)序度動(dòng)態(tài)表征技術(shù)，克服了傳統(tǒng)靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析對(duì)亞穩(wěn)態(tài)體系表征的局限性;二是提出“結(jié)構(gòu)無(wú)序度-功能特性”逆向設(shè)計(jì)策略，通過(guò)調(diào)控氧活性實(shí)現(xiàn)了材料熱膨脹行為的定向優(yōu)化。這種以無(wú)序調(diào)控有序的設(shè)計(jì)思想，不僅為開(kāi)發(fā)零熱膨脹電極材料提供了新路徑，更開(kāi)創(chuàng)了基于動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)演化的功能材料研究范式。

圖3-富鋰錳基正極材料中氧活性與負(fù)熱膨脹系數(shù)之間的定量關(guān)系圖

　　此外，研究團(tuán)隊(duì)還構(gòu)建了基于非平衡態(tài)熱力學(xué)的“電化學(xué)退火”模型，首次在電化學(xué)體系中實(shí)現(xiàn)了亞穩(wěn)態(tài)材料的動(dòng)態(tài)調(diào)控。關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)證據(jù)表明：在4.0 V臨界電壓條件下，富鋰錳基正極材料展現(xiàn)出獨(dú)特的電壓記憶效應(yīng)，其晶格氧重構(gòu)活化能顯著降低，驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)無(wú)序發(fā)生有序重組，實(shí)現(xiàn)近100%的電壓修復(fù)。這一系列發(fā)現(xiàn)為延長(zhǎng)富鋰錳基電池壽命提供了新的解決思路：通過(guò)智能調(diào)控充電策略，可定期修復(fù)富鋰錳基正極材料的結(jié)構(gòu)問(wèn)題，從而顯著延長(zhǎng)電池的使用壽命。該研究不僅深化了對(duì)材料熱力學(xué)行為的理解，也為新型功能材料的設(shè)計(jì)和電池性能優(yōu)化提供了重要的理論指導(dǎo)。

　　寧波材料所邱報(bào)副研究員為第一作者、周宇環(huán)博士為共同第一作者，寧波材料所劉兆平研究員和芝加哥大學(xué)孟穎教授、張明浩博士為論文通訊作者。該研究工作的第一完成單位為寧波材料所，合作單位為美國(guó)芝加哥大學(xué)、上海光源和中國(guó)散列中子源等，得到了國(guó)家自然科學(xué)基金(52272253、52472266)、中國(guó)科學(xué)院國(guó)際伙伴計(jì)劃(181GJHZ2024126MI)、寧波市青年科技創(chuàng)新人才(2024QL041)和中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)會(huì)員(2022299)等項(xiàng)目支持。

　　劉兆平研究員帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)自2009年開(kāi)始從事富鋰錳基正極材料的研究開(kāi)發(fā)，已在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表論文50余篇，獲得授權(quán)發(fā)明專(zhuān)利50余項(xiàng)(其中PCT專(zhuān)利14項(xiàng))，于2016年創(chuàng)立了寧波富理電池材料科技有限公司，在中啟資本等多家投資機(jī)構(gòu)的支持下，2023年建成年產(chǎn)千噸級(jí)示范生產(chǎn)線(xiàn)(圖4)，在國(guó)際上率先實(shí)現(xiàn)了300mAh/g高容量富鋰錳基正極材料的工程化制備，為我國(guó)電池行業(yè)推進(jìn)高比能鋰電池及固態(tài)電池開(kāi)發(fā)提供了關(guān)鍵的正極材料。由國(guó)家石墨烯創(chuàng)新中心、寧波材料所、甬江實(shí)驗(yàn)室、寧波東方理工大學(xué)(暫名)、寧波富理電池材料科技有限公司等產(chǎn)學(xué)研單位組成創(chuàng)新聯(lián)合體，成功申報(bào)了2025年度寧波市“科創(chuàng)甬江2035”重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“高比能固態(tài)電池及其關(guān)鍵材料開(kāi)發(fā)”，劉兆平研究員為該項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人。該項(xiàng)目將集成高容量富鋰錳基正極材料、硅碳復(fù)合負(fù)極材料、固態(tài)電解質(zhì)、石墨烯導(dǎo)電劑等新材料，旨在開(kāi)發(fā)出能量密度≥450Wh/kg的高安全富鋰錳基固態(tài)電池。