3分钟快充80%、零下20度仍强悍！锂电材料迎新突破

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撰文 | Penn

编辑 | 小澜

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一块锂离子电池能存多少电、充放电有多快、能用多久，与正极材料密切相关。

因此，正极材料成为了锂电池四大主材之一，也是决定锂电池能量密度、倍率性能、循环寿命和安全性的核心材料。

为了满足锂离子电池对于高能量密度、长寿命、超快充电能力的需求，无钴富镍层状氧化物作为一类具有重要技术价值的正极材料，已成为最有前景的正极候选材料之一。

然而，去除钴并大幅提高镍含量不可避免地会加剧结构和化学机械不稳定性，加剧锂离子传输动力学迟滞、局域晶格畸变、氧骨架失稳等一系列问题。这已成为制约无钴高镍正极材料走向产业化的关键瓶颈。

针对这一挑战，中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心科研团队提出了一种基于物理化学描述符的多元微量元素设计策略，制备了镁、钙、钛和锆多元微量元素协同无钴高镍正极材料（MD-LNMO）。

研究显示，使用该材料的锂电池，在3分钟超快充后电量即可达到近80%；在6分钟快速充放电条件下循环350次后，容量保持率仍达82.4%。电池锂离子传输效率和材料结构稳定性得到同步提升。

值得关注的是，该材料还实现了低温性能的突破，在零下20摄氏度的环境中，仍能以1C倍率释放112 mAh·g⁻¹的比容量。

采用该材料制备的5.74Ah软包电池在同样低温条件下实现了278.6Wh/kg（瓦时/千克）的能量密度，展现出优异的低温储能性能，这也为寒冷地区新能源汽车和储能设备的应用提供了新的材料选择。

该研究团队在无钴高镍层状氧化物正极材料方面的重要成果已于10月1日在国际学术期刊《自然.合成》发表，将推动正极材料设计从“经验试错”迈向“目标导向”。

图说：基于描述符的多元微量元素协同技术制备高性能无钴富镍正极材料

来源：Nature Synthesis

正极材料是锂电池性能提升的关键抓手之一。它影响着电池容量、充放电速率、循环寿命等电池核心性能。

日前，工业和信息化部等七部门印发的《新型电池产业发展“十五五”规划》中就“发展先进电池材料和高端制造设备”进行部署，要求开发高电压高稳定锰基、高镍三元、高压实密度磷酸铁锂、层状氧化物等锂/钠电池正极材料。

为了让正极材料性能更好，科研人员常常会加入少量特定元素，从而实现电化学性能的进一步提升。虽然这些元素的添加量往往只有约1%，却能起到“四两拨千斤”的作用——通过调控锂离子迁移行为和材料的晶体结构，进而影响电池的核心性能。

不过，对于这关键的1%，面对众多候选元素，究竟该选谁？为什么选？怎样搭配，才能让微量添加发挥更大作用？成为亟待解决的问题。

以往，相关元素筛选较多依赖已有经验和实验结果，再逐一尝试、反复调整寻找合适的“配方”。而这一次，研究团队专门针对“锂离子跑得慢”和“材料结构稳不住”两个难题，从底层物理化学机制出发，提出了更有针对性的元素筛选方法。

图说：“离子传输—晶格稳定性”协同调控正极材料设计思路

来源：中国科学院金属研究所

团队将微量元素的离子电荷密度和金属—氧键合强度作为关键考量，一类元素负责让锂离子跑得更顺，另一类元素负责让材料结构更加牢固。二者结合，就形成了“离子传输—晶格稳定性”协同调控的正极材料设计思路。

具体而言，引入电荷密度较低的元素（如镁、钙），能减小锂离子迁移时受到的阻碍，让锂离子更易在材料中快速移动；添加与氧结合更牢固的元素（如钛、锆），能增强晶体骨架的稳定性，使材料在反复充放电过程中不易发生结构破坏。

依据这两把“尺子”，科研人员从众多元素中，筛选出镁、钙、钛、锆元素，制备出四种元素含量均接近1%的协同优化无钴高镍正极材料。结果表明，在含量均接近1%的多元微量元素共同作用下，锂离子传输效率和材料结构稳定性得到同步提升。

这一基于描述符的多元微量元素设计，不仅解决了此前钴元素带来的高成本、供应链高度集中的困扰，而且同时加速了锂离子动力学、抑制了多次循环引起的相变并减轻化学机械疲劳，从而在无钴富镍正极材料中实现优异的电化学性能。

图说：无钴高镍正极材料开发思路

来源：Nature Synthesis

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