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。這也是被譽為“新能源汽車界黃埔軍?！钡娜A南理工大學，在新型有機鋰電池領(lǐng)域中取得的又一突破。

有機鋰電池可實現(xiàn)100C充電倍率

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(guān)研究成果已在《自然》上發(fā)表，獲得學術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的高度關(guān)注。

和目前常用的三元鋰電池、磷酸鐵鋰電池相比，有機鋰電池工作溫域更寬、安全性更高、原料來源更豐富。近日，《廣州日報》科技周刊采訪了該團隊。下面，就跟著記者一起一探新型有機鋰電池的奧秘，暢想這一技術(shù)將給大家的生活帶來哪些改變。

哎呀！實驗步驟顛倒啦

哇哦！發(fā)現(xiàn)鋰電新材料

黃飛教授介紹，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。這一材料的發(fā)現(xiàn)，源自團隊成員唐浩然博士在實驗室中的一次“偶然”發(fā)現(xiàn)。

2020年，正在華工讀博士的唐浩然，在重復一項師兄論文中提及的操作流程時，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

“我們意外發(fā)現(xiàn)，生成物質(zhì)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(yīng)用，但這類物質(zhì)通常只能傳輸空穴，對應(yīng)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——而我們基于這次偶然發(fā)現(xiàn)，通過深入科學研究解析了PBFDO的結(jié)構(gòu)，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(yīng)用于電致變色、電容器、電化學等多個領(lǐng)域，并且為電容器的國產(chǎn)化提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐。”

新材料已應(yīng)用于電致變色、電容器、電化學等多個領(lǐng)域

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

“我們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，在我們的實驗過程中，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?！碧坪迫唤榻B，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。

黃飛告訴記者，此次向《自然》投稿的過程比較順利，“《自然》的兩位審稿人基本沒有提出反對和疑問的意見，主要提出一些機理上的問題，讓我們補做一些實驗。比如，電池壽命的驗證，我們就做了好幾個月，雖然投稿過程較長，但整體都還算比較順利?！?/p>

告別“冬日emo”，告別自燃焦慮

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。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。

實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化，向超100家單位供應(yīng)材料

記者了解到，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(shù)創(chuàng)新專項論證支持，同時還獲得江海電容器、新宙邦等產(chǎn)業(yè)基金支持，在聚镕光電（廣州）新材料科技有限公司實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化，面向全球超100家科研院?；蚱髽I(yè)提供材料供應(yīng)。

唐浩然表示：“在國外，我們的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)的，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，我們正在與頭部企業(yè)進行聯(lián)合攻關(guān)，預估這類電容器的面世還需要一兩年時間?！?/p>

新材料已率先用于電容器的電解質(zhì)材料

唐浩然說：“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。我們的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。”

用n型導電高分子PBFDO材料制作的高端電容器

團隊也正加快推進有機鋰電池的實用化進程。唐浩然認為，有機鋰電池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。

目前，廣州已有車企開展全固態(tài)電池研發(fā)落地工作。唐浩然介紹，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。”

唐浩然認為，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。“目前我們的電池產(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?！?/p>

科技企業(yè)談創(chuàng)新

巨灣技研極快充技術(shù)穩(wěn)居第一梯隊

在產(chǎn)業(yè)端，廣州科技企業(yè)不斷提升超快充電池技術(shù)。由華南理工大學黃向東校友與團隊孵化的廣州“獨角獸”企業(yè)——巨灣技研生產(chǎn)的鋰電池，其超快充速度在國內(nèi)名列前茅。

2025年超充樁實行新國標后，巨灣技研已量產(chǎn)的成熟電池產(chǎn)品通過軟件升級實現(xiàn)了性能躍升，基于800A新國標充電樁，公司的XFC極快充電池在5%—63%SOC區(qū)間充電耗時僅3分58秒，5分鐘充入54.54kWh電量（5%—78%SOC），平均充電倍率達8.8C，其充電倍率超越同行在1000A非國標樁上的表現(xiàn)，穩(wěn)居技術(shù)第一梯隊。

目前，搭載這些超快充電池的新能源汽車產(chǎn)品廣汽埃安Vplus、北汽極狐T1、北汽制造銳勝M8等品牌的車型已陸續(xù)上市銷售，可實現(xiàn)8至15分鐘極速補能。

此外，公司的全固態(tài)電池研發(fā)正全面提速，全固態(tài)電解質(zhì)研發(fā)實現(xiàn)新突破，獲國家級項目支持，技術(shù)儲備行業(yè)領(lǐng)先。公司還入選首屆全國顛覆性技術(shù)創(chuàng)業(yè)之星TOP3“火星”企業(yè)。

“任何移動的東西都會電動化，只要電動化就需要超快充?！本逓臣佳锌偛门徜h表示，巨灣技研規(guī)劃到2030年實現(xiàn)超百G瓦時產(chǎn)能，以10%—15%的市場占有率搶占賽道先機；在固態(tài)電池領(lǐng)域，計劃于今年率先實現(xiàn)全固態(tài)電池量產(chǎn)。

華南理工大學　學生記者團

信息來源：廣州日報

文：武威（轉(zhuǎn)載時略有改動）

圖：武威、李波

微信編輯：鮑恩

初審：冀早早

二審：盧慶雷

終審：夏正林

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