中科院金属所提出正极微量元素理性设计新范式

一块锂离子电池的储能能力、充放电速率以及使用寿命，主要取决于其正极材料的特性。为提升正极材料性能，科研人员常在其中引入微量特定元素。

尽管每种添加元素的占比通常仅为约百分之一，却能产生显著影响——它们可调控锂离子在材料中的迁移行为，并微调晶体结构，从而直接关系到电池的能量密度、快充快放能力及长期循环稳定性。

然而，一个关键难题长期存在：这百分之一的元素应如何选择？选择依据是什么？不同元素之间如何组合才能发挥最佳协同效应？各类元素各自承担何种功能？其背后的作用机制尚未形成系统认知。

对此，中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心的研究团队提出一种基于微量元素物理化学作用规律的正极材料设计新范式，推动正极材料研发由依赖经验积累的试错模式，转向以明确性能目标为牵引的理性设计路径。相关成果于2026年10月1日发表于国际学术期刊自然·合成。

团队聚焦正极材料面临的两大核心挑战——锂离子传输缓慢与晶体结构易退化，从原子尺度的物理化学本质出发，构建了更具指向性的元素筛选逻辑：一类元素用于优化锂离子输运动力学，另一类则用于强化晶格结构稳定性。

进一步分析表明，这两种功能分别与元素的离子电荷密度及金属—氧键合强度紧密关联。电荷密度较低的元素可有效降低锂离子迁移势垒，提升其在材料内部的扩散速率；而与氧结合能力更强的元素，则有助于加固过渡金属—氧骨架，抑制反复充放电过程中发生的结构畸变与崩塌。

依托上述两条基本判据，团队从周期表中系统筛选出镁、钙、钛、锆四种元素，各自添加比例均控制在约百分之一，成功构建出一种无钴高镍正极材料，实现多维度性能协同提升。

电化学测试结果表明，该材料在快充、长循环及低温适应性方面均表现突出：可在3分钟内完成近80%的电量补充；在6分钟级快速充放电条件下循环350次后，容量保持率仍高达82.4%；采用该材料制成的5.74安时电池，在零下20摄氏度环境中仍可维持278.6瓦时每千克的能量密度，展现出良好的低温储能能力，为高寒地区新能源汽车及储能系统的实际应用提供了新型高性能材料方案。