充電僅需幾十秒！“不自燃”新電池，在廣州誕生

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、新能源車等各種產品上應用。

近日，華南理工大學發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，并研發出能量密度突破250Wh/kg的有機軟包電池，相關研究成果已在《自然》上發表。

有機鋰電池可實現100C充電倍率 圖源：廣州日報

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一次“偶然”，發現鋰電新材料

據介紹，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，團隊就因發現并成功制備出該材料，將成果刊發在《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”發現，該成員在重復一項操作流程時，不慎顛倒了反應的加料順序，這一“無心插柳”之舉，反倒讓他觀察到全新的現象，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材料 圖源：廣州日報

團隊意外發現，生成物質的n型導電性非常好，且在空氣環境下很穩定。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，從而很快發展出電子墨水等產業應用，但這類物質通常只能傳輸空穴，對應于半導體中的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——而基于這次偶然發現，通過深入科學研究解析了PBFDO的結構，并驗證了其超高的導電率與優異的空氣穩定性，最終這一成果在《自然》上發表。目前，這一新材料已經應用于電致變色、電容器、電化學等多個領域，并且為電容器的國產化提供了關鍵技術支撐。

在此材料基礎上，團隊又歷經3年多的系統攻關，進一步系統調控材料主鏈的電子載流子和鋰離子的耦合行為，成功開發出兼具高電子導電率、高比容量以及高鋰離子擴散系數的有機正極體系，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與摻雜調控，實現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，他們在實驗室已經制備出比手機稍大的有機鋰電池。

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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勢：

1.在高低溫都能穩定工作在高海拔高寒環境下，常見的鋰電池容易出現“冬日emo”現象——續航縮水，甚至無法啟動。而有機鋰電池則可以在-70℃—80℃區間內安全工作。

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實現100C充電倍率，其充電過程的穩定性也非常好。

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，發現有機鋰電池即使是短路狀態下，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，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。

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實現產業轉化與落地

目前，n型導電高分子PBFDO材料已獲國家重點研發計劃顛覆性技術創新專項論證支持，面向全球超100家科研院校或企業提供材料供應。

在國外，PBFDO材料已經銷往瑞典、英國等國家的企業或實驗室；在國內，這種材料已率先用于電容器的電解質材料，這些電容器產品都是為芯片服務，安裝在一整個集成基板上。為測試穩定性，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進行聯合攻關，預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”比較嚴重的領域，國內企業雖然可以做出電容器，但一些關鍵材料仍靠進口。這一新型材料如果驗證成功，將為電容器產業提供新的技術路徑，顯著增強產業鏈的自主可控性。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碼產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100C的急速快充，仍有待時日。

用n型導電高分子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電池研發落地工作。據介紹，PBFDO電極既適用于前沿的全固態電池，也適用于液態電池，區別只在于中間電解質是液態還是固態的，因此新型有機電極都可以用。

不過，有機鋰電池要實現大規模生產，還需要解決產線問題。目前的電池產線仍主要針對三元無機材料等傳統的鋰電池產品，這與有機鋰電池的生產尚不適配。要想大規模生產，就需要優秀的工程師從實際出發，改良和設計專門產線。

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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