科技日报记者 杨仑
近日，中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心科研团队提出正极材料设计新策略，通过有针对性地筛选和搭配微量元素，同步改善无钴高镍正极材料的锂离子传输能力和结构稳定性。相关成果发表于《自然·合成》。
一块锂离子电池能存多少电、充放电有多快、能用多久，与正极材料密切相关。向材料中添加少量特定元素，是改善其性能的重要方法。但面对众多候选元素，究竟该选谁、怎样搭配，才能让微量添加发挥更大作用？
以往，相关元素筛选较多依赖经验和反复试验。此次，研究团队从材料的性能需求出发，针对锂离子迁移受阻、反复充放电过程中结构容易退化两个问题，寻找更明确的选材依据。
研究团队提出了两把筛选元素的“尺子”：离子电荷密度和金属—氧键合强度。电荷密度较低的掺杂元素，有助于降低锂离子迁移时遇到的静电阻碍，让锂离子“跑得快”；与氧键合更强的元素，则有助于加固材料的晶体骨架，让结构“稳得住”。两方面协同作用，使材料能够兼顾快速传输与结构稳定。
依据这一思路，研究团队筛选出镁、钙、钛、锆四种元素，制备出多元微量掺杂的无钴高镍正极材料。这些元素的原子比例处于百分之一量级，却能共同改善材料性能，为微量元素的选择和搭配提供了实验依据。
电化学测试显示，该材料在10C高倍率条件下循环350次后，容量保持率仍达82.4%。研究团队还采用该正极材料与金属锂负极组装了容量为5.74安时的软包电池，在零下20摄氏度条件下实现278.6瓦时每千克的能量密度，显示出低温应用潜力。
这项研究将元素的物理化学性质与材料性能需求联系起来，为正极材料研发从经验筛选转向有目标的设计提供了新思路。
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