7日从中国科学院金属研究所获悉，近日，该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。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。相关成果近日发表于《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虽处于百分之一量级，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%。