锂电池3分钟快充至近80%电量！中国团队提出正极材料设计新范式

10月1日，国际学术期刊《自然・合成》（Nature Synthesis）刊发了中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心团队的最新成果。研究团队提出一种基于物理化学描述符的多元微量元素设计策略，制备了镁、钙、钛和锆多元微量元素协同无钴高镍正极材料（MD-LNMO），实现3分钟快充至近80%电量。 这是该科研团队在无钴高镍层状氧化物正极材料研究方面取得的重要进展，更重要的是推动正极材料设计从“经验试错”迈向“目标导向”。 正极材料是锂电池四大主材之一，也是决定锂电池能量密度、倍率性能、循环寿命和安全性的核心材料。在正极材料研发中，特定微量元素往往能够改变锂离子的运动方式和材料的晶体结构，从而影响电池的容量、快速充放电能力和循环寿命等。 然而，研究团队指出，长期以来，微量元素的选择依赖经验判断与反复试错，缺乏能系统关联微量元素的本征性质、晶格结构和电化学性能的定量描述符与设计准则。这一问题在无钴高镍正极材料中尤为突出。 钴是锂离子电池正极材料中的关键元素之一，但其高昂的成本和高度集中的供应链长期困扰着电池产业。无钴高镍化设计虽然能够降低材料成本、提升比容量，却会加剧锂离子传输动力学迟滞、局域晶格畸变、氧骨架失稳等一系列问题，成为制约无钴高镍正极材料走向产业化的关键瓶颈。 针对这一挑战，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。团队将微量元素的离子电荷密度和金属—氧键合强度作为关键参数，建立了微量元素本征性质与锂离子传输、结构稳定性之间的内在关联。 具体而言，引入低电荷密度微量元素，减弱锂离子迁移过程中的静电约束，提升离子传输动力学；同时，利用强金属—氧键元素增强氧亚晶格及过渡金属—氧骨架的结构稳定性，从而构建“离子传输—晶格稳定性”协同调控的正极材料设计思路。 基于该策略，研究团队制备了镁、钙、钛和锆多元微量元素协同无钴高镍正极材料。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：在25C倍率下仍可提供130.9 mAh·g⁻¹的比容量，仅需3分钟超快充，电量即可达到近80%；在10C倍率下循环350圈后，容量保持率仍达82.4%。 值得关注的是，该材料还实现了低温性能的突破，在零下20摄氏度的环境中，仍能以1C倍率释放112 mAh·g⁻¹的比容量。采用该材料制备的5.74Ah软包电池在同样低温条件下实现了278.6 Wh·kg⁻¹的能量密度，展现出优异的低温储能性能，这也为寒冷地区新能源汽车和储能设备的应用提供了新的材料选择。 研究团队强调，这一研究突破了氧化物正极材料微量元素选择长期依赖经验判断和反复试错的研发模式，建立了物理化学描述符驱动的微量元素设计新范式，为兼具高能量密度、长循环寿命和快速充放电能力的锂离子电池正极材料开发提供了新的方法学，也为其他无机电池材料的精准设计与性能优化提供了重要参考。