芝加哥大学 | 芝加哥大学科学家发现违背热力学定律的材料，将彻底改变电动汽车行业

什么东西会在挤压时膨胀，在加热时又会收缩，它既能改变科学家对材料的基本认识，又能使旧的电动汽车电池恢复到出厂时的性能水平？

这不是一个谜，这是芝加哥大学普利兹克分子工程学院（PME）的电池研究人员和加州大学圣地亚哥分校的访问研究人员共同发现的一种材料。作为长期研究合作的一部分，研究小组开发出了看似违反热力学定律的材料。

当该材料处于稳定状态时，它们会像其他材料一样对热量、压力或电流产生反应。但研究小组发现在亚稳态下，它们的反应却发生了翻转。

“当你加热时，它的体积不会发生变化。加热后，材料会收缩而不是膨胀，”该研究的资深作者、Liew家族分子工程学教授孟颖说，“我们认为可以通过氧化还原化学来调整这些材料的特性。这将带来非常令人兴奋的应用。”

他们的研究成果发表在了《自然》杂志上。

“我们的目标之一是将这些材料从研究中应用到工业领域，从而开发出更高比能的新型电池。”共同第一作者、来自宁波材料技术与工程研究所的加州大学圣地亚哥分校访问学者Bao Qiu说。

除了此发现带来的无数新技术，这项研究还代表了纯科学的进步。对孟颖来说这更令她兴奋。

“这改变了我们对基础科学的理解，”孟颖说，她同时也是新成立的气候与可持续增长研究所能源技术计划的学术主任，“我们的工作一直以芝加哥大学的模式为指导，这种模式促进探究和知识本身的发展。”

通过微调这些材料对热量和其他形式能量的反应方式，研究人员可以制造出零热膨胀的材料。这将给建筑等领域带来革命性的变化。

“零热膨胀材料是我们的梦想。”这项研究的共同通讯作者、芝加哥大学PME研究副教授Minghao Zhang说，“以每一栋建筑为例。你不会希望构成不同组件的材料经常改变体积。”

但热量只是能量的一种形式。为了测试材料对机械能的反应，他们将其压缩到千兆帕斯卡级别——如此高的压力级别通常只用于讨论构造板块活动。他们发现了所谓的 “负可压缩性”。

“负可压缩性就像负热膨胀一样，”Zhang说，“如果你从各个方向压缩一个材料粒子，你会想象，它自然会收缩。但这种材料，它会膨胀。”

Zhang教授说，一种能够耐热或耐压的材料可以实现一些以前理论上的 “天马行空的想法”。他举了结构电池的例子，电动飞机的机壁可以兼作电池壁，有助于制造更轻、更高效的飞机。这些新材料可以使电池组件免受不同高度温度和压力变化的影响，使天空不再是这项新技术的极限。

与热量和压力一样，亚稳材料对电化学能量——电压的反应也发生了变化。

“这不仅是一项重要的科学发现，而且非常适用于电池研究。”Zhang说，“当我们使用电压时，我们将材料驱动回原始状态。我们回收了电池。”

要理解亚稳态，可以想象一个球在山上。小球在山顶不稳定，会向下滚动，在山底变得稳定。从那里开始，它就不会再往上滚了。亚稳态指的是介于两者之间的一个点，即球在靠近山顶的地方，但又坐落在一块草皮上。

这种亚稳态态可能相当持久，例如金刚石就是石墨的亚稳态形式。但是，需要能量把亚稳态物质从“草皮“中推出来，让它回滚到稳定状态。

“要把材料从亚稳态推回到稳定状态，不一定非要使用热能。”Zhang说，“你可以使用任何一种能量来驱动系统回归。”

这为重置老化的电动汽车电池指明了道路。例如，一辆充电一次可行驶400英里电动汽车在行驶多年后，可能行驶200英里就需要充电。利用电化学驱动力将材料推入稳定状态，可以让汽车恢复到新车时的行驶里程。

“你不必把电池送回制造商或任何供应商那里。你只需进行电压激活，”Zhang说，“然后，你的车就是一辆新车了。你的电池也将是一块新电池。”

有了这些前景广阔的潜在应用，该团队正全力推进他们的工作。Bao说，下一步将继续使用氧化还原化学来检查材料，“找出关键点”，探索这一基础研究新领域的边界。