最低工作溫度-70℃、極限充電倍率可達100C——新的有機鋰電池材料在廣州誕生，有望在手機、新能源車等各種產(chǎn)品上應用。

近日，華南理工大學發(fā)光材料與器件全國重點實驗室黃飛教授團隊與天津大學許運華教授團隊合作，首次成功制備出高負載有機電極，并研發(fā)出能量密度突破250Wh/kg的有機軟包電池，相關研究成果已在《自然》上發(fā)表。

有機鋰電池可實現(xiàn)100C充電倍率 圖源：廣州日報

01

一次“偶然”，發(fā)現(xiàn)鋰電新材料

據(jù)介紹，這一新型有機電池材料主要基于名為聚（苯并二呋喃二酮）（PBFDO）的有機導電聚合物。2022年，團隊就因發(fā)現(xiàn)并成功制備出該材料，將成果刊發(fā)在《自然》雜志上。這一材料的問世，源自團隊成員在實驗室中的一次“偶然”發(fā)現(xiàn)，該成員在重復一項操作流程時，不慎顛倒了反應的加料順序，這一“無心插柳”之舉，反倒讓他觀察到全新的現(xiàn)象，并獲得了一種全新的材料。

新材料已率先用于電容器的電解質材料 圖源：廣州日報

團隊意外發(fā)現(xiàn)，生成物質的n型導電性非常好，且在空氣環(huán)境下很穩(wěn)定。事實上，有機物的導電性能通常都比較差，直到20世紀70年代，科學家才找到了一些導電的有機高分子聚合物，從而很快發(fā)展出電子墨水等產(chǎn)業(yè)應用，但這類物質通常只能傳輸空穴，對應于半導體中的p型。但能夠傳輸電子的n型導電聚合物在空氣中很容易被氧化，使導電性快速下降，長期未能取得突破——而基于這次偶然發(fā)現(xiàn)，通過深入科學研究解析了PBFDO的結構，并驗證了其超高的導電率與優(yōu)異的空氣穩(wěn)定性，最終這一成果在《自然》上發(fā)表。目前，這一新材料已經(jīng)應用于電致變色、電容器、電化學等多個領域，并且為電容器的國產(chǎn)化提供了關鍵技術支撐。

在此材料基礎上，團隊又歷經(jīng)3年多的系統(tǒng)攻關，進一步系統(tǒng)調控材料主鏈的電子載流子和鋰離子的耦合行為，成功開發(fā)出兼具高電子導電率、高比容量以及高鋰離子擴散系數(shù)的有機正極體系，即高性能PBFDO正極，并制作出能量密度突破250Wh/kg的有機軟包電池，這一成果再度發(fā)表在《自然》雜志上。

有機鋰電池 圖源：廣州日報

團隊通過電子和鋰離子的耦合效應與摻雜調控，實現(xiàn)快速的鋰離子擴散速率，從而顯著縮短充放電時間，在實驗過程中，它的充電倍率最高達到100C（1C指的是電池充滿電需要1小時，100C相當于充電速度提高了100倍），這意味著有機鋰電池在合適的電壓和功率下，只需要幾十秒鐘就可以充滿電。目前，他們在實驗室已經(jīng)制備出比手機稍大的有機鋰電池。

02

告別“冬日emo”，告別自燃焦慮

實驗室制作的有機鋰電池有以下幾點優(yōu)勢：

1.在高低溫都能穩(wěn)定工作在高海拔高寒環(huán)境下，常見的鋰電池容易出現(xiàn)“冬日emo”現(xiàn)象——續(xù)航縮水，甚至無法啟動。而有機鋰電池則可以在-70℃—80℃區(qū)間內安全工作。

2.電池原料獲取自主可控目前廣泛使用的三元鋰電池，其中的鎳、鈷在我國儲量較少，在全世界儲量也不多。而有機鋰電池本質上用的是碳、氫、氧等廣泛存在的元素，使原材料的獲取自主可控。

3.超強充電倍率當前，我國的新能源車電池最大充電倍率為10C，無機鋰電池主要依靠鋰離子在晶格里的嵌入、脫出實現(xiàn)充電，想要再提高充電倍率已面臨瓶頸。有機鋰電池不僅能夠實現(xiàn)100C充電倍率，其充電過程的穩(wěn)定性也非常好。

4.安全性強不自燃團隊專門就自研的有機鋰電池進行了穿刺短路實驗，發(fā)現(xiàn)有機鋰電池即使是短路狀態(tài)下，也不會自燃、爆燃。唐浩然表示，有機鋰電池的電極材料，通常只要400℃就會自然分解成不導電物質，電池從短路變成了斷路，溫度也就自然下降，無法引燃周圍的電解液。

5.可彎折可塑性強相較于常見的方方正正的無機鋰電池包，有機鋰電池可以做得非常柔軟，適應各種空間的需求。

6.能量密度已與無機鋰電池相當。目前，實驗室制作的電池，能量密度已突破250Wh/kg，已達到商用無機鋰電池的能量密度水平，接下來有望突破更高能量密度。

03

實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)轉化與落地

目前，n型導電高分子PBFDO材料已獲國家重點研發(fā)計劃顛覆性技術創(chuàng)新專項論證支持，面向全球超100家科研院校或企業(yè)提供材料供應。

在國外，PBFDO材料已經(jīng)銷往瑞典、英國等國家的企業(yè)或實驗室；在國內，這種材料已率先用于電容器的電解質材料，這些電容器產(chǎn)品都是為芯片服務，安裝在一整個集成基板上。為測試穩(wěn)定性，基板通常要做好幾年的工藝驗證，才能從樣品變成商品，團隊正在與頭部企業(yè)進行聯(lián)合攻關，預估這類電容器的面世還需要一兩年時間。

新材料已率先用于電容器的電解質材料 圖源：廣州日報

高端電容器是我國被“卡脖子”比較嚴重的領域，國內企業(yè)雖然可以做出電容器，但一些關鍵材料仍靠進口。這一新型材料如果驗證成功，將為電容器產(chǎn)業(yè)提供新的技術路徑，顯著增強產(chǎn)業(yè)鏈的自主可控性。團隊也正加快推進有機鋰電池的實用化進程，有望首先用于手機等數(shù)碼產(chǎn)品以及小型無人機的電池快充，而受制于目前我國超充樁的功率，要想在新能源車上實現(xiàn)100C的急速快充，仍有待時日。

用n型導電高分子PBFDO材料制作的高端電容器 圖源：廣州日報

目前，廣州已有車企開展全固態(tài)電池研發(fā)落地工作。據(jù)介紹，PBFDO電極既適用于前沿的全固態(tài)電池，也適用于液態(tài)電池，區(qū)別只在于中間電解質是液態(tài)還是固態(tài)的，因此新型有機電極都可以用。

不過，有機鋰電池要實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，還需要解決產(chǎn)線問題。目前的電池產(chǎn)線仍主要針對三元無機材料等傳統(tǒng)的鋰電池產(chǎn)品，這與有機鋰電池的生產(chǎn)尚不適配。要想大規(guī)模生產(chǎn)，就需要優(yōu)秀的工程師從實際出發(fā)，改良和設計專門產(chǎn)線。

參考來源

廣州日報《充電僅需幾十秒！“不自燃”新電池，在廣州誕生：有望用于手機、無人機、新能源車等》

https://mp.weixin.qq.com/s/Pzd4Q1a09L5aCJQON9QEyg

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