在生活中，手机使用时间一久，会出现虚电现象——明明手机还有电，电池却撑不到最后一秒，毫无征兆地自动关机了。手机虚电的背后，其实是电池“寿命”不佳的困境。

如果随着使用而逐渐“老化”的电池能够重新恢复“青春”，电池岂不是能用得更久？

近日，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了能让下一代锂电池“返老还童”的秘密。论文通讯作者、宁波材料所研究员刘兆平表示，这一研究成果不仅为高比能电池技术的进一步发展提供了科学依据，还有望改变未来电池的设计和使用方式。

相关研究成果于北京时间4月16日晚11点，以“电池材料的氧活性与负热膨胀性（Negative thermal expansion and oxygen-redox electrochemistry）”为题在线发表在国际学术期刊《自然》上。

电量“告急”，电池材料遇难题

在车水马龙的街道上，你有关注过身边的电动汽车有多少吗？据公安部交通管理局统计，截至2024年底，全国纯电动汽车保有量超2000万辆。作为现代城市出行重要工具的电动车，它的便捷、实惠、环保等特征赢得了不少车主的青睐。

然而，在日常使用中，电动汽车电池越用续航越差的问题，经常困扰着车主。除了电动汽车，无人机等电动航空器的续航里程也有待进一步提高。

为解决这些问题，不少科研人员将目光投向了富锂锰基正极材料。在电池材料领域，富锂锰基正极材料被认为是下一代锂电池正极材料方向，现已成为正极材料领域主要研究方向之一。

刘兆平介绍：“富锂锰基正极材料的电池储能量，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。”也就是说，富锂锰基正极材料一旦应用，理论上电池的续航能提升30%以上。

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，宁波材料所供图

但富锂锰基正极材料也有它的短板：经过多次充放电后，富锂锰基电池的电压会逐渐下降，如同人在血压下降后会身体虚弱、能量不足，电池会产生 “老化”现象，这使得富锂锰基电池目前仍然难以获得实际应用。

导致富锂锰基电池容易“老化”的原因是材料中的氧离子会随着电池的使用而在材料内“乱跑”，电池使用越久，氧离子的排列顺序就越混乱。“尽管有时电池显示没电，但实际上，有可能是因为仍有部分能量以晶格扭曲和结构无序的形式储存在富锂锰基正极材料中，材料如同被过度拉伸后的弹簧，使得富锂锰基电池性能使用寿命大打折扣。”刘兆平说。

“遇热收缩”特质下，他们让下一代锂电池“返老还童”

如何让这种富锂锰基电池，既保持电压稳定，又能长期稳定工作？

在研究中，团队科研人员揭示了富锂锰基正极材料的有趣的性质——它在受热时会收缩。

生活中的物质大多都是“热胀冷缩”，这样“反常识”的特质让团队研究人员找到了突破口，对富锂锰基正极材料进行适当升温，可以使材料从无序状态，恢复到更稳定、能量更低的有序结构。“在加热过程中，富锂锰基正极材料的原子排列变得更加紧密，体积缩小，结构损伤也能得到修复。”刘兆平解释。

科研人员进行富锂锰基正极材料的电化学性能测试，宁波材料所供图

这一发现不仅为量化富锂锰基正极材料的结构无序提供了新方法，还帮助研究团队设计出了一种新型正极材料。刘兆平说：“这种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。”

此外，研究团队还发展了一种新方法，可以通过电化学手段让“老化”的富锂锰基电池“返老还童”。这种方法利用电化学的方式将富锂锰基正极材料从结构无序、不稳定的状态“重置”回接近原始的结构有序状态，就像让电池“恢复青春”一样。

“我们利用这一特点，让富锂锰基电池在不充满电的条件下持续循环数次，这可以使电池的平均放电电压恢复到接近100%，”刘兆平进一步表示，智能调控充电，可以让电池“满血复活”，延长电池的使用寿命。

“失败”的实验，破解富锂锰基正极材料的“长寿”密码

针对这项成果，《自然》期刊审稿人曾评价，这一发现突破了传统电极材料结构转变的理论框架，为理解电极材料的结构-性能关系开辟了新的研究方向。

然而论文第一作者、宁波材料所副研究员邱报却将其称为“一次‘失败’的实验”。实验究竟“失败”在了哪里？

实际上，通过温度改变材料结构从而延长电池使用寿命并不是团队最开始的研究方向。邱报说：“我们在研究其他东西时发现了这一材料‘遇热收缩’的反常现象，这完全是实验意想不到的结果，我们背后花了非常多的时间去琢磨。”

科研人员进行富锂锰基正极材料的软包电池组装，宁波材料所供图

刘兆平表示，随着先进实验技术和人工智能的结合，材料设计正朝着“按需定制”的方向发展。未来，电动汽车、电动航空器的锂电池，不仅能够实现更长的续航能力，还可以通过这种让锂电池“返老还童”的手段实现超长寿命，是不是很酷？

“自从2001年富锂锰基正极材料被发现后，科学家们一直没能将其很好地产业化。我们的研究将推动富锂锰基正极材料加速规模化应用的步伐。”刘兆平说道。