中科院团队提出锂电正极材料设计新策略

驱动中国10月2日消息，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一种从微量元素物理化学作用规律出发的锂离子电池正极材料设计新策略，推动正极材料研发由经验试错转向目标导向。该团队依据离子电荷密度和金属—氧键合强度筛选镁、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。相关成果10月1日发表于国际学术期刊《自然·合成》。

锂离子电池的储电量、充放电速度和使用寿命与正极材料性能密切相关。科研人员常在正极材料中加入少量特定元素，每种元素添加量约为1%，通过改变锂离子运动方式和材料晶体结构，影响电池容量、快速充放电和循环寿命。此前，这些微量元素的选择依据、搭配方式及作用规律尚不明确。

针对锂离子迁移受阻和材料结构稳定性不足两类问题，科研团队从底层物理化学机制出发，提出更具针对性的元素筛选方法。一类元素用于改善锂离子传输，另一类元素用于增强材料结构稳定性。两种作用分别与元素的离子电荷密度和金属—氧键合强度相关。电荷密度较低的元素可减小锂离子迁移时受到的阻碍，使其更易在材料中快速移动；与氧结合更牢固的元素可增强晶体骨架稳定性，使材料在反复充放电过程中不易发生结构破坏。

依据上述规律，科研人员从众多元素中筛选出镁、钙、钛、锆，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。电化学测试显示，该材料在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同步提升。测试数据包括：3分钟超快充条件下电量可达到近80%；在6分钟快速充放电条件下循环350次后，容量保持率为82.4%；采用该材料制备的5.74Ah电池在−20℃低温下仍可实现278.6Wh/kg能量密度。

该研究为多元微量元素选择建立了可遵循的设计规律，使材料研发从依靠经验转向有目标筛选，为高性能锂离子电池正极材料以及其他功能材料的精准设计提供新思路。相关成果也为寒冷地区新能源汽车和储能设备应用提供了新的材料选择。