锂离子电池的储能能力、充放电速度和循环寿命，在很大程度上取决于正极材料。科研人员通常通过加入少量特定元素来改善正极材料性能，每种元素添加量约为1%，却可能影响锂离子运动方式和材料晶体结构，进而作用于电池容量、快速充放电和循环寿命。不过，面对这1%的元素，如何选择、为何选择、不同元素如何搭配以及分别发挥什么作用，背后规律此前并不清楚。
围绕这些问题，中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心科研团队提出，从微量元素物理化学作用规律出发的正极材料设计新策略，推动正极材料探索从经验试错走向目标导向。相关成果于10月1日在国际学术期刊《自然·合成》发表。
针对锂离子跑得慢和材料结构稳不住两个难题，科研团队从底层物理化学机制出发，提出更有针对性的元素筛选方法：一类元素负责让锂离子跑得更顺，另一类元素负责让材料结构更加牢固。这两种作用分别与元素的离子电荷密度和金属—氧键合强度密切相关。电荷密度较低的元素，能减小锂离子迁移时受到的阻碍，让锂离子更易在材料中快速移动；与氧结合更牢固的元素，能增强晶体骨架的稳定性，使材料在反复充放电过程中不易发生结构破坏。
依据这两把尺子，科研人员从众多元素中筛选出镁、钙、钛、锆元素，制备出四种元素含量均接近1%的协同优化无钴高镍正极材料。结果表明，在含量均接近1%的多元微量元素共同作用下，锂离子传输效率和材料结构稳定性得到同步提升。电化学测试显示，该材料兼具优异的快速充放电、长循环和低温性能：仅需3分钟超快充，电量即可达到近80%；在6分钟快速充放电条件下循环350次后，容量保持率仍达82.4%。采用该材料制备的5.74Ah电池在−20℃低温下仍可实现278.6Wh/kg的能量密度，展现出优异的低温储能性能，为寒冷地区新能源汽车和储能设备的应用提供了新的材料选择。
该研究为多元微量元素的选择建立了可遵循的设计规律，让材料研发从依靠经验试，转变为有目标地选，为高性能锂离子电池正极材料以及其他功能材料的精准设计提供了新思路。