中國儲能網(wǎng)訊：近年來，鋰電池的超快充技術受到廣泛關注，在新能源汽車、電子設備、儲能和能源等領域展現(xiàn)出了廣闊的應用潛力。
然而，在追求更高效、更快速儲能解決方案的同時，超快充技術對電池正極材料的物理性質和穩(wěn)定性提出了更高要求。傳統(tǒng)鋰離子電池正極材料在實現(xiàn)超快充的過程中還存在諸多技術挑戰(zhàn)，例如較低的能量密度、緩慢的傳質和傳荷過程等。
近日，清華大學深圳國際研究生院副教授陳振、彭樂樂團隊在快充鋰離子電池正極關鍵材料設計領域取得新進展，相關研究成果發(fā)表于《自然—化學》。他們通過創(chuàng)新設計二維垂直梯型聚合物正極材料，成功破解了離子傳輸效率低下這一制約電池快充能力的核心難題。
值得注意的是，這種新型正極材料在高電流密度下僅需30秒即可完成70%充電，遠超現(xiàn)有電池技術的極限水平。在零下50°C的極端低溫環(huán)境中，該正極材料仍能在3分鐘內實現(xiàn)55%的充電量，解決了傳統(tǒng)鋰電池在低溫環(huán)境中性能急劇下降的痛點問題。該技術成果有望重塑下一代儲能設備的應用場景，在低空飛行或極地探險等特殊應用領域展現(xiàn)出潛力。
構建快速傳輸“立體網(wǎng)絡”
鋰離子正極材料主要包括鈷酸鋰、磷酸鐵鋰、三元材料等無機材料，這些無機正極材料因其固有的晶體結構，以及內部較為單一的離子遷移通道，限制了離子遷移速度，難以滿足超快速充電的需求。
相比之下，以碳、氫、氧、硫等元素為主的有機正極材料具有無重金屬、環(huán)境友好、資源豐富等特點，且其分子結構可設計性強，成為科研人員探索的重點。
2021年，從日本結束博士后研究工作之后，陳振加入清華大學深圳國際研究生院，組建實驗室。與博士和博士后階段的超分子化學的基礎研究方向不同，他決定從事更具實用性的材料研究方向。
有機正極材料的鋰離子電池普遍存在長循環(huán)性能較差的問題，以往研究關于鋰離子有機正極材料，往往更多關注能量密度的提升?！巴ㄟ^前期的調研，我們意外發(fā)現(xiàn)，雖然前人已開展有機正極材料的研究，但在快充技術方面卻鮮有人研究?！闭撐耐ㄓ嵶髡哧愓窕貞?。
為此，研究人員開發(fā)了一種二維垂直梯形聚合物正極材料，這種聚合物由碳、氫、氧、硫等地球儲量豐富的輕質元素組成，不含具有毒性的鈷、鎳等過渡金屬元素，具有良好的環(huán)境友好性。
與傳統(tǒng)的無機正極材料不同，研究團隊開發(fā)的新型正極材料的內部形成了豐富的空隙，以及結構性“缺陷”，這些看似不完美的結構特征恰恰成為了鋰離子傳輸?shù)闹匾ǖ溃屼囯x子能夠在層間實現(xiàn)快速垂直遷移。得益于聚合物內部層與層之間相對較弱的作用力，促使鋰離子實現(xiàn)水平方向的遷移，就像是給鋰離子的高速傳輸構建了“立體交通網(wǎng)”。
研究團隊開發(fā)的有機正極材料結構圖。受訪者供圖
“過去學術界普遍認為，鋰離子擴散主要以插層方式或貫穿方式進行，這種‘交叉型’的高效離子傳輸機制打破了傳統(tǒng)認知?！标愓癖硎?，通過對有機正極材料的全新設計范式，不僅可以保障在大電流密度下，即快速充放電的工況下，電極內部快速的傳質過程，還能使其在電極制備過程中可以實現(xiàn)與導電添加劑更加均勻的分散，在電極內部構建高效的導電網(wǎng)絡，保證快速傳荷。同時兼具較高的能量密度，為實現(xiàn)超高功率密度創(chuàng)造了有利條件。
30秒充70%，零下50度仍能快充
該項研究歷時4年多，從單體小分子合成到材料制備，再到制作電極片，研究團隊常常遇到分子目標產物不符合預期、電極片開裂和粉化、電極片載量低等問題。“通過對各項實驗參數(shù)的不斷優(yōu)化和調整，最終形成了穩(wěn)定可靠的實驗流程，也為進一步的研究和驗證奠定基礎。”陳振回憶道。
在進一步的驗證實驗中，研究團隊發(fā)現(xiàn)，基于該正極材料制備的鋰離子電池在高電流密度下，僅需30秒即可完成70%充電，遠超現(xiàn)有電池技術的快充極限水平。在零下50度的極端低溫環(huán)境中，該材料仍能在3分鐘內實現(xiàn)55%的充電量，解決了傳統(tǒng)鋰電池在低溫環(huán)境下急劇下降的難題，為極地探險等極端條件的特殊應用領域有廣闊應用潛力。
“30秒充電70%的速度意味著，未來可以實現(xiàn)與傳統(tǒng)燃油汽車幾分鐘加滿一箱油相媲美的充電速度，有望解決新能源領域由于因充電速度慢帶來的續(xù)航焦慮等問題?！标愓窠榻B，這種優(yōu)異的閃充性能和功率密度有望應用于電動無人機等前沿領域。
此外，研究人員發(fā)現(xiàn)，基于該材料制備的鋰離子電池經過4000次充放電循環(huán)，容量保持率超過90%，預測使用壽命超過10000次。這意味著如果每天2次充放電，該材料使用壽命可以超過13年，展現(xiàn)出了優(yōu)異的耐用性。
該研究不僅提升了有機鋰離子電池的性能參數(shù)，更提供了一種儲能電極材料的全新設計范式。這種二維聚合物正極材料所展現(xiàn)的結構可控性，為鈉、鉀等其他離子電池體系提供了新的研發(fā)思路，其無重金屬、環(huán)境友好、資源豐富等的特點，進一步助推了能源可持續(xù)發(fā)展。
當前，電動汽車、電動無人機等領域對快速充電技術的需求日益增長，在此背景下，該研究為實現(xiàn)電池的更快速充電、更強的環(huán)境適應性提供了可行路徑，為下一代儲能系統(tǒng)的發(fā)展指明了方向。陳振透露，目前該技術已完成了電池軟包的組裝與性能測試，并進一步推進該正極材料在鈉離子電池領域的研究，為業(yè)內研究人員提供更多的啟發(fā)和借鑒。
相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41557-025-01899-5
