University of Chicago 與寧波材料技術與工程研究所合作團隊近日在期刊 Nature 發表研究，發現一系列具「負熱膨脹」（Negative Thermal Expansion, NTE）特性新材料。這項科學突破除了挑戰傳統熱力學定律，亦期望能為電動車產業帶來革命轉機，透過特殊電壓調控機制，令老化鋰離子電池重新恢復至接近原始出廠效能，大大延長能源系統運作壽命。
突破熱力學傳統限制新材料
物理學傳統認知中，絕大多數固體材料受熱時會隨粒子運動加劇而膨脹，但在這項最新研究中，科學家在「亞穩態」（Metastable）條件下觀察到獨特物理現象。這類新發現材料受到加熱時不但沒有膨脹，反而出現收縮反應。這種違背常規熱力學特徵行為引起學術界高度關注。
研究團隊透過高壓測試實驗，對這些材料施加千兆帕（gigapascal）級別機械應力，發現這類材料面對壓力時表現出驚人「負可壓縮性」（Negative Compressibility）。理論上物體受到各向同性擠壓時體積應隨之縮小，但這類材料在受壓同時卻會自動膨脹。專家指出這種反直覺物理行為源於材料內部透過熱驅動產生「無序至有序」結構轉變。研究人員成功將結構無序轉化為可調控參數，徹底重塑科學界對基礎材料特性理解。
深度修復電動車電池效能
這項科研成果對電動車產業具深遠應用價值。現時鋰離子電池在多次充放電循環後，內部陰極結構往往會因機械應力產生缺陷，導致能量密度下降並縮短電動車續航里程。透過這項最新研究，團隊發現可以利用氧化還原化學原理，精確調整材料特性並透過特殊充電策略「電壓激活」材料。當電池進入特定模式時，新材料能週期性修復陰極結構微觀缺陷，令電池效能實現接近 100% 電壓恢復。這意味着未來車主無須頻繁更換昂貴動力電池組，大幅降低電動車使用成本與廢棄電池造成的環境負擔。
跨領域未來應用潛力
除了電池修復技術，這類零熱膨脹材料在其他科技領域亦擁有巨大潛力。對於建築結構而言，若組件材料隨氣溫頻繁改變體積，長期下來會影響結構穩定性，而這種新發現材料能協助創造體積穩定且極度耐用的建築零件。同時亦被視為實現「結構電池」設計關鍵，例如未來工程師能將電動飛機機身設計成兼具結構支撐與儲能功能機殼，成功減輕機體重量並提升運輸效率。隨着研究從理論邁向產業開發，科學家期望能透過這些材料，令電池效能不再受傳統熱學限制，為能源儲存技術開闢全新發展路徑。
資料來源：University of Chicago、中國科學院
