专家突破无钴高镍材料技术 3分钟充电可达80%

10月1日，中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心团队在《自然・合成》期刊上发表最新研究成果。该团队提出了一种基于物理化学描述符的多元微量元素设计策略，成功制备出镁、钙、钛和锆多元微量元素协同无钴高镍正极材料（MD-LNMO），可在3分钟内快充至近80%电量。

这项研究使正极材料设计从“经验试错”转向“目标导向”。正极材料作为锂电池四大主材之一，直接影响电池的能量密度、倍率性能、循环寿命和安全性。在正极材料研发过程中，特定微量元素能改变锂离子的运动方式及材料晶体结构，进而影响电池容量、快速充放电能力和循环寿命等性能。

长期以来，微量元素的选择主要依赖经验判断和反复试错，缺少能够系统关联微量元素本征性质、晶格结构与电化学性能的定量描述符和设计准则。这一问题在无钴高镍正极材料中表现得尤为明显。钴是锂离子电池正极材料的关键元素之一，但其高昂成本和高度集中的供应链长期制约着电池产业发展。无钴高镍化设计虽能降低材料成本、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、氧骨架失稳等问题，成为无钴高镍正极材料产业化道路上的关键瓶颈。

针对这一难题，研究团队从底层物理化学机制入手，提出了更具针对性的元素筛选方法。团队以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。通过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；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，构建了“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。电化学测试表明，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分钟超快充即可达到近80%电量；在10C倍率下循环350圈后，容量保持率仍达82.4%。此外，该材料在零下20摄氏度环境中，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软包电池在相同低温条件下实现了278.6 Wh·kg⁻¹的能量密度，展现出优异的低温储能性能，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。

该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，为开发兼具高能量密度、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。