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(yīng)用。

近日，華南理工大學(xué)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(xué)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(guān)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(dǎo)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(fù)一項操作流程時，不慎顛倒了反應(yīng)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(zhì)材料 圖源：廣州日報

團隊意外發(fā)現(xiàn)，生成物質(zhì)的n型導(dǎo)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(dǎo)電性能通常都比較差，直到20世紀70年代，科學(xué)家才找到了一些導(dǎo)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(yīng)用，但這類物質(zhì)通常只能傳輸空穴，對應(yīng)于半導(dǎo)體中的p型。但能夠傳輸電子的n型導(dǎo)電聚合物在空氣中很容易被氧化，使導(dǎo)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(xué)研究解析了PBFDO的結(jié)構(gòu)，并驗證了其超高的導(dǎo)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(yīng)用于電致變色、電容器、電化學(xué)等多個領(lǐng)域，并且為電容器的國產(chǎn)化提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐。

在此材料基礎(chǔ)上，團隊又歷經(jīng)3年多的系統(tǒng)攻關(guān)，進一步系統(tǒng)調(diào)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(dǎo)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(yīng)與摻雜調(diào)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(dāng)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(nèi)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(zhì)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(dāng)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?qū)崿F(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(dǎo)電物質(zhì)，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(yīng)各種空間的需求。

6.能量密度已與無機鋰電池相當(dāng)。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(zhuǎn)化與落地

目前，n型導(dǎo)電高分子PBFDO材料已獲國家重點研發(fā)計劃顛覆性技術(shù)創(chuàng)新專項論證支持，面向全球超100家科研院?；蚱髽I(yè)提供材料供應(yīng)。

在國外，PBFDO材料已經(jīng)銷往瑞典、英國等國家的企業(yè)或?qū)嶒炇?；在國?nèi)，這種材料已率先用于電容器的電解質(zhì)材料，這些電容器產(chǎn)品都是為芯片服務(wù)，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(guān)，預(yù)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(zhì)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(lǐng)域，國內(nèi)企業(yè)雖然可以做出電容器，但一些關(guān)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(shù)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(dǎo)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(zhì)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(shè)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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