中國儲能網(wǎng)訊：近年來，鋰電池的超快充技術(shù)受到廣泛關(guān)注，在新能源汽車、電子設(shè)備、儲能和能源等領(lǐng)域展現(xiàn)出了廣闊的應(yīng)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(shù)對電池正極材料的物理性質(zhì)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(shù)挑戰(zhàn)，例如較低的能量密度、緩慢的傳質(zhì)和傳荷過程等。
近日，清華大學(xué)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(guān)鍵材料設(shè)計領(lǐng)域取得新進展，相關(guān)研究成果發(fā)表于《自然—化學(xué)》。他們通過創(chuàng)新設(shè)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(yuǎn)超現(xiàn)有電池技術(shù)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(nèi)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(shù)成果有望重塑下一代儲能設(shè)備的應(yīng)用場景，在低空飛行或極地探險等特殊應(yīng)用領(lǐng)域展現(xiàn)出潛力。
構(gòu)建快速傳輸“立體網(wǎng)絡(luò)”
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(jié)構(gòu)，以及內(nèi)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(jié)構(gòu)可設(shè)計性強，成為科研人員探索的重點。
2021年，從日本結(jié)束博士后研究工作之后，陳振加入清華大學(xué)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(xué)的基礎(chǔ)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(guān)于鋰離子有機正極材料，往往更多關(guān)注能量密度的提升。“通過前期的調(diào)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(shù)方面卻鮮有人研究。”論文通訊作者陳振回憶。
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(zhì)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(nèi)部形成了豐富的空隙，以及結(jié)構(gòu)性“缺陷”，這些看似不完美的結(jié)構(gòu)特征恰恰成為了鋰離子傳輸?shù)闹匾ǖ?，讓鋰離子能夠在層間實現(xiàn)快速垂直遷移。得益于聚合物內(nèi)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(gòu)建了“立體交通網(wǎng)”。
研究團隊開發(fā)的有機正極材料結(jié)構(gòu)圖。受訪者供圖
“過去學(xué)術(shù)界普遍認(rèn)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(rèn)知。”陳振表示，通過對有機正極材料的全新設(shè)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(nèi)部快速的傳質(zhì)過程，還能使其在電極制備過程中可以實現(xiàn)與導(dǎo)電添加劑更加均勻的分散，在電極內(nèi)部構(gòu)建高效的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，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(biāo)產(chǎn)物不符合預(yù)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(diào)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(chǔ)?！标愓窕貞浀?。
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(yuǎn)超現(xiàn)有電池技術(shù)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(nèi)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(yīng)用領(lǐng)域有廣闊應(yīng)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(lǐng)域由于因充電速度慢帶來的續(xù)航焦慮等問題。”陳振介紹，這種優(yōu)異的閃充性能和功率密度有望應(yīng)用于電動無人機等前沿領(lǐng)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(jīng)過4000次充放電循環(huán)，容量保持率超過90%，預(yù)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(shè)計范式。這種二維聚合物正極材料所展現(xiàn)的結(jié)構(gòu)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(dāng)前，電動汽車、電動無人機等領(lǐng)域?qū)焖俪潆娂夹g(shù)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(yīng)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(shù)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(lǐng)域的研究，為業(yè)內(nèi)研究人員提供更多的啟發(fā)和借鑒。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41557-025-01899-5
