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2025-06-19 09:31:15
【导语】你是否对铁轨的缝隙、沥青路的软绵绵感以及乒乓球的热水复原现象感到好奇？这些其实都与“热胀冷缩”原理息息相关。然而，在自然界中，还存在一些“叛逆”的物质，它们在高温下收缩，在低温下膨胀。这种看似反常的特性，却在锂电池领域展现出了惊人的应用潜力。中国科学家最新研究发现，富锂锰基正极材料通过其独特的负热膨胀特性，有望让锂电池“返老还童”，为高能量密度电池的发展开辟了新路径。本文将带你深入了解这一神奇现象及其背后的科学原理。
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作者：一言科普团队
监制：中国科普博览
你是否好奇，铁轨为什么存在很多缝隙，而不是完整的一根？夏天走在沥青路上为什么会有软绵绵的感觉？压瘪的乒乓球为什么在热水中浸泡就可以恢复原样？其实，这些现象都与“热胀冷缩”原理有关，当温度升高时，分子的热运动加剧，分子间的平均距离增大，导致物体膨胀；反之，物体则收缩。
火车与铁轨
（图片来源：作者AI生成）
但是，生活中却存在一些“叛逆”的物质，它们在高温条件下体积会收缩，或者在低温条件下体积反而增大。然而，就是这种看似“叛逆”的特性，却可以使锂电池“返老还童”。
富锂锰基正极材料，容量高却不持久
传统锂离子电池的正极依靠过渡金属（镍、钴、锰等）的氧化还原反应储存电荷，例如磷酸铁锂电池的正极（磷酸铁锂）通过二价铁和三价铁的转化和锂离子的脱嵌和嵌入实现电能的储存和释放。而富锂锰基正极（LRM）尽管也是由锂(lǐ)、过(guò)渡(dù)金(jīn)属(shǔ)、氧(yǎng)组(zǔ)成，但是原理却与磷酸铁锂正极不同。
正在充电的锂电新能源汽车
（图片来源：作者AI生成）
富锂锰基正极的储能依靠过渡金属氧化还原和阴离子（氧）氧化还原双重贡献，因此具有比普通锂正极材料更高的容量。富锂锰基正极的容量可达(dá)300 mAh/g，大(dà)概(gài)是(shì)磷(lín)酸(suān)铁(tiě)锂(lǐ)正(zhèng)极(jí)容(róng)量(liàng)的(de)1.7倍(bèi)，是(shì)下(xià)一(yī)代(dài)高(gāo)能(néng)量(liàng)密(mì)度(dù)锂(lǐ)电(diàn)正(zhèng)极(jí)的(de)重(zhòng)要(yào)候(hou)选(xuǎn)之(zhī)一(yī)。
尽(jǐn)管(guǎn)富(fù)锂(lǐ)锰(měng)基(jī)材(cái)料(liào)通(tōng)过(guò)阴(yīn)离(lí)子(zi)氧(yǎng)化(huà)还(hái)原(yuán)突(tū)破(pò)了(le)传(chuán)统(tǒng)正(zhèng)极(jí)材(cái)料(liào)的(de)容(róng)量(liàng)极(jí)限(xiàn)，但(dàn)其(qí)复(fù)杂(zá)的(de)多(duō)相(xiāng)反(fǎn)应(yīng)机(jī)制(zhì)（阴(yīn)/阳(yáng)离(lí)子(zi)氧(yǎng)化(huà)还(hái)原(yuán)、过(guò)渡(dù)金(jīn)属(shǔ)迁(qiān)移(yí)、表(biǎo)面(miàn)重(zhòng)构(gòu)等(děng)）也(yě)带(dài)来(lái)了(le)对(duì)其(qí)寿(shòu)命(mìng)的(de)挑(tiāo)战(zhàn)。在(zài)反(fǎn)复(fù)充(chōng)放(fàng)电(diàn)过(guò)程(chéng)中(zhōng)，富(fù)锂(lǐ)锰(měng)基(jī)材(cái)料(liào)的(de)内(nèi)部(bù)结(jié)构(gòu)会(huì)从(cóng)有(yǒu)序(xù)变(biàn)为(wèi)无(wú)序(xù)，导(dǎo)致(zhì)储(chǔ)存(cún)的(de)能(néng)量(liàng)无(wú)法(fǎ)完(wán)全释(shì)放(fàng)，缩(suō)短(duǎn)了(le)使(shǐ)用(yòng)寿(shòu)命(mìng)，放(fàng)电(diàn)电(diàn)压(yā)也(yě)随(suí)之(zhī)下(xià)降(jiàng)。
负(fù)热(rè)膨(péng)胀(zhàng)，使(shǐ)富(fù)锂(lǐ)锰(měng)基(jī)材(cái)料(liào)“性(xìng)能(néng)依(yī)旧(jiù)”
近(jìn)日(rì)，中(zhōng)国(guó)科(kē)学(xué)家(jiā)在(zài)研(yán)究(jiū)过(guò)程(chéng)中(zhōng)发(fā)现(xiàn)富(fù)锂(lǐ)锰(měng)基(jī)材(cái)料(liào)具(jù)有(yǒu)受(shòu)热(rè)收(shōu)缩(suō)的(de)特(tè)性(xìng)，并(bìng)且(qiě)有(yǒu)助(zhù)于(yú)电(diàn)池(chí)性(xìng)能(néng)的(de)恢(huī)复(fù)，相(xiāng)关成(chéng)果(guǒ)发(fā)表(biǎo)在(zài)《自(zì)然(rán)》期(qī)刊(kān)。
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富锂锰基材料在电化学激活前后的晶格参数随温度变化图
电化学激活前（图f），材料的晶格参数随温度升高而变大，即材料发生正热膨胀；电化学激活后（图g），材料的晶格参数随温度升高先变大后变小，即材料先发生正热膨胀，随后发生负热膨胀。（晶格参数：晶体物质的基本结构参数，晶胞的物理尺寸）
（图片来源：参考文献[1]）
这种负热膨胀是如何产生的呢？
在富锂材料正极的充电过程中，一部分能量通过可逆的氧化还原反应储存，而另一部分能量则导致材料结构的无序化，这部分能量是不可逆的，造成电极材料的电压和能量效率的下降。
对于阴离子氧化活性中心的富锂电极材料，温度达到一定范围时，材料内部结构在热能的影响下，发生高能态的无序结构向低能态的有序结构转化，并且伴随着晶格的收缩，表现出受热负膨胀的特性。
那么，实现材料无序结构转变为有序结构，是不是就可以解决富锂锰基材料中结构变化导致的电压降和能量效率下降的问题呢？
答案是肯定的。研究者通过调控富锂材料在反应中的脱锂量（控制氧-氧化还原活性），实现了其从正热膨胀（PTE）到零热膨胀（ZTE）再到负热膨胀NTE的连续调控，并且制备出热膨胀系数接近于零的新型材料，为耐热应力器件的设计提供了新思路。
另一方面(miàn)，研究者提出了利用电化学驱动力，实现亚稳态材料的动态调控。为了验证电池的电压恢复过程，研究人员将富锂锰基正极材料组成的电池在2 V-4.6 V电压范围内进行四个周期的循环，电压衰减约38.7 mV。而将该电池的截止电压降低至4 V时，放电电压提升约38.1 mV，具有接近100%的电压恢复能力。该电化学修复富锂锰基正极的过程与热力学中加热使材料结构变化的过程类似，均实现了材料结构的恢复。
生活中的一些“反膨胀”材料
基于以上对“热胀冷缩”原理的认识，你是否又会产生新的疑惑，冬天的水管为什么容易冻裂？按常理推论的话，水应该是遇冷体积收缩才对。其实，水是一种比较特殊的物质，液态水在4℃以上时，遵循“热胀冷缩”的规律。但是当温度在0℃-4℃，会出现反常，温度降低时体积反而会膨胀，这是因为冰的晶体结构比液态水疏松，水变成冰时，体积会膨胀，这一特性也解释了为什么自然界中冰常常浮于水面之上。
漂浮在水面的冰
（图片来源：作者AI生成）
热缩管是我们日常生活中进行电线修复或者机械部件(jiàn)防(fáng)护(hù)的(de)常(cháng)用(yòng)材(cái)料(liào)，也(yě)有(yǒu)类(lèi)似(shì)于(yú)“反(fǎn)膨(péng)胀(zhàng)”的(de)特(tè)性(xìng)。热(rè)缩(suō)管(guǎn)在(zài)常(cháng)温(wēn)时(shí)具(jù)有(yǒu)较(jiào)大的孔径，但是受热的时候会紧紧地包裹在被保护物体的表面。热缩管受热收缩的现象与高分子材料的特性有关，热缩管材料的交联结构具有记忆效应，在制备过程中通过高温和外力作用使其临时扩张并快速冷却。当热缩管再次受热时（如用热风枪加热），材料从“临时扩张状态”恢复到原始尺寸，从而紧密包裹住被覆物体。
结语
生活中总是会存在一些与我们认知相反的现象，殊不知有时候恰巧是这些“不合理”的现象，为我们开辟了新思路，从而打开了新领域的大门，不仅推动了科技的进步，也方便了我们的生活。我们期待更多“黑科技”材料问世，让科技更好地服务于人类。
参考文献
[1] Qiu, B., Zhou, Y., Liang, H. et al. Negative thermal expansion and oxygen-redox electrochemistry[J]. Nature, 2025.
[2] Lee J, Urban A, Li X, et al. Unlocking the Potential of Cation-Disordered Oxides for Rechargeable Lithium Batteries[J]. Science, 2014.
[3] Zhou, Y., Cui, H., Qiu, B. et al. Sufficient Oxygen Redox Activation against Voltage Decay in Li-Rich Layered Oxide Cathode Materials[J]. ACS Materials Letters, 2021.
[4]余相贵,郭勇.水结冰膨胀压力测试方法及实验数据分(fēn)析[J]. 地球, 2013.
[5]谈至明,孙明伟,任奕,等.沥青路面条状修复基层的自膨胀和温度应力[J]. 公路交通科技, 2009.
[6]蔡鹤琴,倪克明.辐射交联聚乙烯热缩管的研制[J]. 核农学通报, 1992.
400-86503662
30年来首例：科学家发现新型抗生素
