丹凤千字科普：A²₇和C²₇的计算（详细资料介绍）

简介

本文探究了能源器件、精密仪器和太空技术中材料因热膨胀引发的形变和应力问题，特别是在负热膨胀（NTE）材料和氧氧化还原（OR）反应方面的研究进展。研究发现，通过调控氧氧化还原反应，可以精准调节热膨胀系数，实现负、零或正热膨胀材料的理性设计。

研究亮点及成果

一、发现氧氧化材料的负热膨胀机制

通过系统比较六种不同结构的电池正极材料，本研究首次发现含氧氧化活性的材料在充放电后表现出显著的负热膨胀行为。这一机制归因于热诱导的结构“无序-有序”转变。

二、建立热膨胀与氧氧化还原活性之间的关联

研究建立了热膨胀与氧氧化还原活性之间的线性关联模型，通过该模型，可以预测材料的热膨胀行为。这一发现为热膨胀调控和能量器件稳定性设计提供了新的思路。

三、提出并实验证明“电化学驱动结构自修复”策略

本研究提出并通过实验证明了“电化学驱动结构自修复”策略，通过调整充电截止电压，可以实现结构有序性的恢复和放电电压的回升。这一策略为恢复电池性能提供了新的途径。

四、开发出两种零热膨胀材料

通过调控氧氧化还原反应，本研究成功开发出两种零热膨胀（ZTE）材料，实测热膨胀系数接近0。这两种材料在能量存储领域具有广泛的应用前景。

五、揭示热力驱动与电化学驱动在结构演变中的关系

本研究揭示了热力驱动与电化学驱动在材料结构演变中的共性与互补性，为下一代稳定电池设计提供了理论框架。

配图详解

图1展示了氧氧化还原材料与NTE行为的关联，强调了氧氧化还原活性材料在特定温区表现出明显的NTE行为。

图2展示了通过调控OR活性实现热膨胀系数的连续调节，展示了材料从正膨胀到零膨胀再到负膨胀的连续转变。

图3是基于OR贡献设计ZTE材料的实证案例，通过合成两种Li-rich层状材料，实现了接近零的热膨胀系数。

图4展示了电化学诱导结构“自修复”与放电电压恢复的过程，通过调整充电截止电压，实现了结构与性能的双复。

展望

本研究构建了氧氧化、结构失序和热膨胀之间的统一理论图像，并实证了电化学行为对热膨胀行为的可调控性。这一研究为高稳定、低热膨胀储能材料提供了新的路径，有望在空间构件、微机电系统以及高温电池等领域获得广泛应用。未来，我们期待更多关于NTE材料和OR反应的研究，以推动这些领域的进一步发展。

文献信息

本文发表于Nature期刊，标题为“Negative Thermal Expansion and Oxygen-Redox Electrochemistry”，详细文献信息见文章末尾。