北京
来源：滚动播报
（来源：中科院之声）
一块锂离子电池能存储多少电、充放电有多快、使用寿命有多久，很大程度上取决于它的正极材料。为了提升正极材料性能，科研人员常会加入少量特定元素进行不同尝试。
往往每种元素的添加量都只有约1%，却可起到“四两拨千斤”的作用，调控锂离子的运动方式和改变材料的晶体结构，进而影响电池容量、快速充放电和循环寿命。但添加的元素，究竟该选谁？为什么选用？不同元素该怎么搭配？一直困扰着科学家。
▲锂电正极材料设计新策略示意图（图片由AI生成）
以往的材料研发多依赖已有经验和实验结果，再逐一尝试、反复调整。寻找合适“配方”的过程如同“乱炖”，即便有可能做出一道“好菜”，但不同“配料”的作用和背后的规律并不十分清楚。
近日，中国科学院金属研究所提出从微量元素物理化学作用规律出发的正极材料设计新策略，推动正极材料探索从“经验试错”走向“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入手，提出了更有针对性的元素筛选方法。
一类元素负责让锂离子跑得更顺，另一类元素负责让材料结构更加牢固，这两种作用分别与元素的离子电荷密度和金属-氧键合强度密切相关。电荷密度较低的元素，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；与氧结合更牢固的元素，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。
依据这两把“尺子”，团队在众多元素中筛选出镁、钙、钛、锆元素，制备出4种元素含量均接近1%的协同优化无钴高镍正极材料。结果表明，在含量均接近1%的多元微量元素共同作用下，可同步提升锂离子传输效率和材料结构稳定性。
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电池，在−20℃低温下可实现278.6Wh/kg的能量密度，表现出优异的低温储能性能，为寒冷地区的应用提供了新的材料选择。
这项工作为多元微量元素的选择建立了可遵循的设计规律，助力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。
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