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清華大學深圳國際研究生院陳振等人Nature Chemistry！二維聚合物正極材料助力鋰離子電池超快充電技術突破

文章來源：新能源網更新時間：2025-09-08 15:37:43

隨著電動汽車和可再生能源存儲技術的快速發展，對高性能鋰離子電池的需求日益增加。然而，傳統的鋰離子電池正極材料，如磷酸鐵鋰和三元材料，由于其晶體結構緊密，離子傳輸動力學緩慢，難以滿足快速充電的需求。此外，現有的快速充電技術往往以犧牲電池的能量密度和循環穩定性為代價。因此，開發一種能夠在短時間內完成充電且不降低電池性能的新型正極材料，成為當前研究的熱點。近年來，二維材料因其獨特的層狀結構和豐富的活性位點，展現出在快速充電領域的巨大潛力。然而，如何進一步優化二維材料的結構，以實現鋰離子的高效傳輸，仍然是一個亟待解決的問題。

本研究成功開發了一種基于二維垂直梯形聚合物（2DVLPs）的新型正極材料，通過獨特的交叉流結構設計，實現了鋰離子在垂直方向上的快速遷移和水平方向上的嵌入，從而顯著提高了鋰離子的傳輸效率。實驗結果表明，該材料在高電流密度下能夠在30秒內達到約70%的充電狀態，并且即使在-50°C的低溫環境下，也能在3分鐘內實現約55%的充電。此外，研究團隊還提出了一種有機-無機雜化策略，通過將部分導電添加劑替換為鈦二硫化物（TiS?），進一步提高了電極級別的比能量。這種新型正極材料不僅具有超高的功率密度和優異的低溫性能，還展現出了良好的循環穩定性，為鋰離子電池的快速充電技術提供了一種全新的解決方案。

本研究通過合理設計二維垂直梯形聚合物的結構，成功實現了鋰離子的快速傳輸和高效存儲，為鋰離子電池的超快充電技術開辟了新的途徑。這種交叉流結構的設計理念，不僅解決了傳統二維材料在快速充電過程中離子傳輸路徑長和動力學緩慢的問題，還通過引入有機-無機雜化策略，進一步提升了電池的整體性能。該研究成果不僅在實驗室條件下展現出了卓越的性能，還具有潛在的實際應用價值，有望推動鋰離子電池技術在電動汽車和可再生能源存儲等領域的進一步發展。未來，通過進一步優化材料的合成工藝和電池的組裝技術，有望實現該材料的大規模生產和商業化應用，為實現綠色、可持續的能源存儲提供有力支持。

本研究在二維材料的設計和應用方面取得了顯著進展，其創新性的交叉流結構設計為解決鋰離子電池快速充電問題提供了新的思路。然而，盡管實驗結果令人鼓舞，但在實際應用中仍面臨一些挑戰。首先，2DVLPs的合成過程相對復雜，涉及到多個步驟和特定的反應條件，這可能會限制其大規模生產的可行性。其次，雖然引入TiS?提高了電極的比能量，但這種雜化策略對電池的長期循環穩定性的影響尚需進一步驗證。此外，該研究主要集中在實驗室規模的電池測試，對于實際應用中電池組的熱管理、安全性和成本效益等問題尚未涉及。總的來說，雖然該研究在基礎科學層面取得了重要突破，但在將其轉化為實際產品之前，仍需解決一系列工程和技術問題。

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