科研人员发现锂电正极材料通用设计规律

锂离子电池的性能，很大程度上取决于它的正极材料。传统研发中，科研人员会在正极材料中加入约1%的特定微量元素，以探索提升锂离子传输效率与结构稳定性。然而，面对元素周期表中的众多选项，研发多依赖“经验试错”，如同“乱炖”，缺乏明确的设计依据和可遵循的筛选规律。

中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心团队10月1日在《自然·合成》发表研究成果，提出了一种基于物理化学机制的微量元素筛选策略，推动正极材料设计从“经验试错”迈向“目标导向”。

针对“锂离子跑得慢”和“材料结构稳不住”两个难题，研究团队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：一是选择离子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；二是选择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。

基于该策略，团队协同引入镁、钙、钛、锆四种元素，制备出多元微量元素掺杂的无钴高镍正极材料。电化学测试显示，该材料兼具优异的快速充放电、长循环和低温性能：仅需3分钟超快充，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%。采用该材料制备的5.74Ah（安时）电池在零下20摄氏度低温下，能量密度仍达278.6Wh/kg（瓦时/千克），为寒冷地区新能源汽车和储能设备的应用提供了新选择。

这一研究为多元微量元素的选择建立了可遵循的设计规律，让材料研发从依靠经验“试”，转变为“有目标地选”，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了新思路。（新华社）