University of Chicago 与宁波材料技术与工程研究所合作团队近日在期刊 Nature 发表研究，发现一系列具「负热膨胀」（Negative Thermal Expansion, NTE）特性新材料。这项科学突破除了挑战传统热力学定律，亦期望能为电动车产业带来革命转机，透过特殊电压调控机制，令老化锂离子电池重新恢复至接近原始出厂效能，大大延长能源系统运作寿命。
突破热力学传统限制新材料
物理学传统认知中，绝大多数固体材料受热时会随粒子运动加剧而膨胀，但在这项最新研究中，科学家在「亚稳态」（Metastable）条件下观察到独特物理现象。这类新发现材料受到加热时不但没有膨胀，反而出现收缩反应。这种违背常规热力学特征行为引起学术界高度关注。
研究团队透过高压测试实验，对这些材料施加千兆帕（gigapascal）级别机械应力，发现这类材料面对压力时表现出惊人「负可压缩性」（Negative Compressibility）。理论上物体受到各向同性挤压时体积应随之缩小，但这类材料在受压同时却会自动膨胀。专家指出这种反直觉物理行为源于材料内部透过热驱动产生「无序至有序」结构转变。研究人员成功将结构无序转化为可调控参数，彻底重塑科学界对基础材料特性理解。
深度修复电动车电池效能
这项科研成果对电动车产业具深远应用价值。现时锂离子电池在多次充放电循环后，内部阴极结构往往会因机械应力产生缺陷，导致能量密度下降并缩短电动车续航里程。透过这项最新研究，团队发现可以利用氧化还原化学原理，精确调整材料特性并透过特殊充电策略「电压激活」材料。当电池进入特定模式时，新材料能周期性修复阴极结构微观缺陷，令电池效能实现接近 100% 电压恢复。这意味着未来车主无须频繁更换昂贵动力电池组，大幅降低电动车使用成本与废弃电池造成的环境负担。
跨领域未来应用潜力
除了电池修复技术，这类零热膨胀材料在其他科技领域亦拥有巨大潜力。对于建筑结构而言，若组件材料随气温频繁改变体积，长期下来会影响结构稳定性，而这种新发现材料能协助创造体积稳定且极度耐用的建筑零件。同时亦被视为实现「结构电池」设计关键，例如未来工程师能将电动飞机机身设计成兼具结构支撑与储能功能机壳，成功减轻机体重量并提升运输效率。随着研究从理论迈向产业开发，科学家期望能透过这些材料，令电池效能不再受传统热学限制，为能源储存技术开辟全新发展路径。