北理工團(tuán)隊(duì)在極速快充電池研究方面取得重要進(jìn)展
發(fā)布日期:2025-10-13 供稿:材料學(xué)院 攝影:材料學(xué)院
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作為推動(dòng)交通電氣化、引領(lǐng)社會(huì)向綠色與可持續(xù)方向轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵技術(shù),極速快充(XFC)技術(shù)已在全球?qū)W術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界獲得廣泛關(guān)注。該技術(shù)不僅能有效緩解用戶的“充電焦慮”,加速電動(dòng)汽車、電動(dòng)飛機(jī)等電氣交通工具的普及,也是實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”與“碳中和”目標(biāo)的重要技術(shù)路徑。但現(xiàn)階段,該技術(shù)仍難以滿足電動(dòng)交通工具對(duì)分鐘級(jí)充電的需求,成為阻礙電氣交通大規(guī)模發(fā)展的關(guān)鍵瓶頸。XFC技術(shù)的突破有望徹底重塑用戶體驗(yàn)、推動(dòng)產(chǎn)業(yè)變革,并進(jìn)一步加速全球能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型。因此,系統(tǒng)梳理當(dāng)前XFC技術(shù)的研究進(jìn)展,對(duì)推動(dòng)該技術(shù)持續(xù)發(fā)展具有至關(guān)重要的意義。2025年10月,北京理工大學(xué)吳鋒院士、李麗教授團(tuán)隊(duì)聚焦于XFC電池技術(shù),以“Extremely Fast-Charging Batteries: Principle, Strategies, Detection, and Prediction”為題在國(guó)際頂級(jí)期刊《Chemical Reviews》(影響因子:55.8)上發(fā)表綜述文章,全面系統(tǒng)梳理了XFC技術(shù)面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn),以及近年來(lái)在提升其性能與安全性方面取得的進(jìn)展。北京理工大學(xué)葉玉勝教授、陳人杰教授、李麗教授為論文的通訊作者,材料學(xué)院博士研究生劉浩為第一作者、趙利媛實(shí)驗(yàn)師為共同第一作者。文章鏈接:https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.5c00203。

圖1 XFC電池在電氣交通領(lǐng)域的應(yīng)用及本綜述論述內(nèi)容的示意圖
本綜述系統(tǒng)總結(jié)了鋰電池在快充領(lǐng)域的理論基礎(chǔ)與調(diào)控策略,闡述了智能監(jiān)測(cè)技術(shù)在保障快充安全與性能中的重要作用,并總結(jié)了電池快充健康與壽命的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)方法(圖1)。通過(guò)跨學(xué)科融合,旨在深化對(duì)XFC技術(shù)發(fā)展、潛在解決方案及前景的理解。最后,本綜述討論了推動(dòng)XFC技術(shù)未來(lái)發(fā)展的關(guān)鍵研究方向。

圖2 XFC技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀
統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示,盡管電動(dòng)汽車的市場(chǎng)占有率持續(xù)攀升,針對(duì)快充鋰離子電池的科學(xué)研究也日益活躍,但距離實(shí)現(xiàn)“XFC”目標(biāo),即在15分鐘內(nèi)為電池充入80%電量,仍面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。與此同時(shí),隨著以電動(dòng)垂直起降飛行器與無(wú)人機(jī)為代表的低空經(jīng)濟(jì)迅速崛起,市場(chǎng)對(duì)XFC技術(shù)實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵突破的需求愈發(fā)迫切,亟需通過(guò)技術(shù)升級(jí)加速低空經(jīng)濟(jì)的商業(yè)化進(jìn)程。

圖3 低空經(jīng)濟(jì)的交通載具及市場(chǎng)規(guī)模發(fā)展情況
本綜述系統(tǒng)闡述了當(dāng)前電池在實(shí)現(xiàn)XFC過(guò)程中面臨的主要局限,總結(jié)了其多尺度物理化學(xué)過(guò)程之間存在的內(nèi)在矛盾,并探討了不同尺度下的快充電池設(shè)計(jì)策略,以促進(jìn)對(duì)XFC技術(shù)更深入的理解與進(jìn)一步發(fā)展。文章還重點(diǎn)分析了實(shí)時(shí)、無(wú)損的電池監(jiān)測(cè)方法與先進(jìn)表征技術(shù)。這些手段對(duì)準(zhǔn)確評(píng)估電池健康狀態(tài)、識(shí)別失效模式及規(guī)避安全風(fēng)險(xiǎn)具有關(guān)鍵作用(圖4),所獲取的信息對(duì)從事電池研發(fā)與應(yīng)用的研究人員、工程師及制造商也具有重要參考價(jià)值。為實(shí)現(xiàn)電池的主動(dòng)安全預(yù)警,本綜述進(jìn)一步探討了適用于快充電池的多維風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)方法。精準(zhǔn)預(yù)測(cè)需依托先進(jìn)的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型與智能技術(shù),從而將電池運(yùn)行嚴(yán)格控制在安全邊界內(nèi),顯著提升XFC應(yīng)用場(chǎng)景下的安全性與可靠性。

圖4 XFC電池中可監(jiān)測(cè)的參數(shù)/行為及各類監(jiān)測(cè)方式
為實(shí)現(xiàn)下一代電池技術(shù)的突破,XFC的發(fā)展亟需融合材料工程、機(jī)械設(shè)計(jì)、計(jì)算建模與人工智能等多學(xué)科的交叉力量。基于此,研究團(tuán)隊(duì)從快充標(biāo)準(zhǔn)化、動(dòng)力學(xué)限制步驟識(shí)別、多維協(xié)同策略優(yōu)化以及先進(jìn)技術(shù)集成等多個(gè)維度,提出了未來(lái)XFC技術(shù)的重點(diǎn)研究方向,旨在推動(dòng)電池向更快速、高效、安全與智能的方向發(fā)展。
課題組在前期研究中重點(diǎn)圍繞高功率/快充型電池方面開(kāi)展了一系列工作,部分代表性工作如下:
1. The Critical Importance of Stack Pressure in Batteries, Nature Energy, 2025, 10, 1064-1073. (IF=60.1, 第一作者:李千雅博士,劉浩博士)(揭示堆疊壓力對(duì)電池的重要作用)論文鏈接:https://doi.org/10.1038/s41560-025-01820-x。
2. Recent advances and opportunities in reactivating inactive lithium in batteries, Angewandte Chemie International Edition, 2024, 63(25): e202404554.(IF=16.9,第一作者:李千雅博士)(電池中非活性鋰激活的最新進(jìn)展和機(jī)遇)論文鏈接:https://doi.org/10.1002/anie.202404554。
3. Coassembly of ultrathin lithium with dual lithium-free electrodes for long-lasting sulfurized polyacrylonitrile batteries, Nano Letters, 2025, 25(6): 2266-2274.(IF=9.1,第一作者:汪弘毅碩士)(超薄鋰與雙無(wú)鋰電極共組裝開(kāi)發(fā)長(zhǎng)效硫化聚丙烯腈電池,實(shí)現(xiàn)豐產(chǎn)元素基電極的應(yīng)用)論文鏈接:https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c05550。
4. Low-Entropy and Fast-Li+-Conducting Electrolyte with Cascade Reaction-Induced Robust Interphase for Fast-Charging Lithium Metal Batteries, Angewandte Chemie International Edition, 2025, 64(23), e202504116.(IF=16.9,第一作者:李瑤碩士生)(低熵電解質(zhì)的級(jí)聯(lián)反應(yīng)誘導(dǎo)穩(wěn)固界面相提升鋰金屬電池快充性能)論文鏈接:https://doi.org/10.1002/anie.202504116。
5. Tiny-Ligand Solvation Electrolyte Enabled Fast-Charging Aqueous Batteries, Angewandte Chemie International Edition, 2025, 64(14), e202423808. (IF=16.9,第一作者:尚妍欣博士后)(利用空間位阻來(lái)構(gòu)建微小配體溶劑化結(jié)構(gòu)提升水系電池快充性能)論文鏈接:https://doi.org/10.1002/anie.202423808。
附作者簡(jiǎn)介:
劉浩,北京理工大學(xué)材料學(xué)院2023級(jí)博士,師從李麗教授、葉玉勝教授,主要研究方向?yàn)榭斐滗囯姵氐墓δ茈娊庖汉徒缑嬖O(shè)計(jì)。
趙利媛,北京理工大學(xué)先進(jìn)材料實(shí)驗(yàn)中心實(shí)驗(yàn)師,致力于利用先進(jìn)表征技術(shù)研究鋰金屬電池的表面和界面化學(xué)。
葉玉勝,北京理工大學(xué)準(zhǔn)聘教授,博士生導(dǎo)師,國(guó)家海外高層次青年人才,發(fā)表學(xué)術(shù)論文100余篇,他引近10000次,H因子56。2018年至2023年在美國(guó)斯坦福大學(xué)崔屹教課題組從事博士后研究工作,圍繞高功率/快充型鋰(離子)電池開(kāi)展創(chuàng)新研究,在Nature、Science、Nature Energy等期刊發(fā)表的多項(xiàng)研究成果被BBC News、MIT Technology Review、Science News、Science Daily、美國(guó)能源部新聞等報(bào)道。2023年6月入職以來(lái),講述《儲(chǔ)能材料與技術(shù)》《能源材料》《先進(jìn)碳材料(英)》《新能源與環(huán)境材料工程設(shè)計(jì)與應(yīng)用》等本科生、研究生課程,參與新能源方向的教學(xué)項(xiàng)目,聚焦電源材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與機(jī)理創(chuàng)新開(kāi)展系統(tǒng)研究工作,在電源的自響應(yīng)關(guān)鍵材料設(shè)計(jì)與制備、離子傳質(zhì)動(dòng)力學(xué)、高性能電極-電解質(zhì)界面構(gòu)筑技術(shù)等方面取得重要?jiǎng)?chuàng)新成果。
陳人杰,北京理工大學(xué)教授,博士生導(dǎo)師。國(guó)家級(jí)領(lǐng)軍人才,英國(guó)皇家化學(xué)學(xué)會(huì)會(huì)士、中國(guó)工程前沿杰出青年學(xué)者等。主要從事多電子高比能二次電池新體系及關(guān)鍵材料、新型離子液體及功能復(fù)合電解質(zhì)材料、特種電源用新型薄膜材料與結(jié)構(gòu)器件、智能電池及信息能源融合交叉技術(shù)等方面的教學(xué)和科研工作。
李麗,北京理工大學(xué)教授,博士生導(dǎo)師。國(guó)家級(jí)領(lǐng)軍人才,英國(guó)皇家化學(xué)學(xué)會(huì)會(huì)士等。長(zhǎng)期從事新型綠色二次電池關(guān)鍵材料設(shè)計(jì)、廢舊電池回收處理與資源化利用和綠色二次電池衰減機(jī)理與智能診斷等方面的教學(xué)和科研工作。
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