吉林
一块锂电池能存多少电、充电速度快不快、反复用多久还不衰减，核心很大程度都卡在正极材料上面。现在做锂电研发，科研人员的常规操作就是往正极材料里面掺一点点特殊元素来提升性能。别看这些添加元素的占比仅仅只有1%左右，效果却称得上四两拨千斤，能够直接改变锂离子的运动特性，调整材料内部的晶体结构，最终影响电池容量、快充能力还有循环使用寿命。
但长久以来行业一直有个很大的痛点。这1%的微量元素到底选哪一种？选择背后的原理是什么？多种元素之间要如何搭配组合，每一种元素各自承担什么样的功能？这背后一直没有一套清晰完整的底层规律，很多研发工作只能靠着科研人员过往的经验不断试错摸索，研发效率很低。
就在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的科研团队交出了一份重要答卷，相关的研究成果正式刊登在国际学术期刊《自然·合成》上。这支团队跳出传统经验试错的老路，提出了一套从微量元素物理化学作用规律入手的全新正极材料设计思路，直接把正极材料的研发模式从盲目的经验试错，升级成了目标导向式的精准开发。
团队瞄准两大行业痛点，一个是锂离子在材料内部迁移速度慢，另一个就是反复充放电之后材料晶体结构容易崩塌。他们从最底层的物理化学机制入手，把添加元素划分成两个功能大类。其中一类元素的任务，就是打通通道，让锂离子跑起来更加顺畅；另一类元素的核心职责，则是牢牢稳住晶体骨架，保证材料结构的稳定性。
区分这两类元素靠两把关键的衡量标尺，也就是元素的离子电荷密度，还有金属和氧之间的键合强度。电荷密度偏低的元素，可以降低锂离子迁移过程当中遇到的阻力，锂离子穿梭起来速度更快。而和氧结合能力更强的元素，能够加固整个晶体骨架，电池来回充放电很多次，材料结构也不容易损坏失效。
靠着这两套筛选标准，研究人员在海量元素里面挑出了镁、钙、钛、锆四种元素，每一种元素的添加量都控制在接近1%，最终做出了可以多元素协同优化的无钴高镍正极材料。后续的电化学测试结果相当亮眼，这款新材料把快充、长循环还有低温性能全都兼顾到了。只需要3分钟的超快充时间，电池电量就能够冲到接近80%。就算是在6分钟一次的快速充放电工况下，循环350次之后，电池容量保持率依旧还有82.4%。
团队还用这款新材料制作出容量5.74Ah的电池样品，测试发现就算处在零下20摄氏度的低温环境，依旧可以实现278.6Wh/kg的能量密度，低温储能实力十分突出。这项成果也给严寒地区的新能源车、储能设备提供了全新的材料方案。不用再依赖过去碰运气式的试错实验，这套元素筛选的方法论，后续也能够给整个锂电行业的正极材料研发提供全新的思路。
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