30秒充電70%！超快充鋰電池正極材料來了
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定性提出了更高要求。傳統鋰離子電池正極材料在實現超快充的過程中還存在諸多技術挑戰，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，相關研究成果發表于《自然—化學》。他們通過創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，遠超現有電池技術的極限水平。在零下50°C的極端低溫環境中，該正極材料仍能在3分鐘內實現55%的充電量，解決了傳統鋰電池在低溫環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出潛力。
構建快速傳輸“立體網絡”
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。“通過前期的調研，我們意外發現，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。”論文通訊作者陳振回憶。
為此，研究人員開發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，具有良好的環境友好性。
與傳統的無機正極材料不同，研究團隊開發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的重要通道，讓鋰離子能夠在層間實現快速垂直遷移。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”。
研究團隊開發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認知。”陳振表示，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絡，保證快速傳荷。同時兼具較高的能量密度，為實現超高功率密度創造了有利條件。
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的不斷優化和調整，最終形成了穩定可靠的實驗流程，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，研究團隊發現，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，遠超現有電池技術的快充極限水平。在零下50度的極端低溫環境中，該材料仍能在3分鐘內實現55%的充電量，解決了傳統鋰電池在低溫環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，未來可以實現與傳統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航焦慮等問題。”陳振介紹，這種優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，研究人員發現，基于該材料制備的鋰離子電池經過4000次充放電循環，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，展現出了優異的耐用性。
該研究不僅提升了有機鋰離子電池的性能參數，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思路，其無重金屬、環境友好、資源豐富等的特點，進一步助推了能源可持續發展。
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，該研究為實現電池的更快速充電、更強的環境適應性提供了可行路徑，為下一代儲能系統的發展指明了方向。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，為業內研究人員提供更多的啟發和借鑒。
相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41557-025-01899-5
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