能源和環(huán)境是人類賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是當(dāng)今時(shí)代面臨的兩大問題。能源研究的核心是研發(fā)新型能源材料，提高能源利用效率和儲能容量。鋰離子電池作為清潔能源，被廣泛應(yīng)用于人工智能、電動汽車、無人機(jī)等前沿科技領(lǐng)域。然而，當(dāng)前鋰離子電池的能量密度、穩(wěn)定性能和倍率性能，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足科技快速發(fā)展的需要。手機(jī)電池爆炸、新能源汽車的安全隱患、無人機(jī)的續(xù)航時(shí)間短等問題困擾著新技術(shù)的進(jìn)一步推廣應(yīng)用。正極材料是鋰離子電池的核心部分，理想的正極材料應(yīng)該具有能量密度高、充放電循環(huán)性能好、安全穩(wěn)定、成本低廉、環(huán)境友好等特點(diǎn)。隨著傳統(tǒng)科研的逐步深入，材料的自身屬性和設(shè)計(jì)機(jī)理成為這一領(lǐng)域研究的瓶頸。

       鋰電池代表性正極材料中的結(jié)構(gòu)基元。圖中小圈表示結(jié)構(gòu)基元，外圈是由這些結(jié)構(gòu)基元之間排列組合形成的鋰電池正極材料

 

       晶體材料最基本的結(jié)構(gòu)基元是晶格原子及其配位環(huán)境，它們按照一定的空間群結(jié)構(gòu)進(jìn)行周期性排列形成晶體。例如所有鋰離子電池的正極材料都是由鋰離子，過渡金屬離子，以及陰離子的結(jié)構(gòu)基元組成。一般而言，結(jié)構(gòu)基元中的成鍵相互作用以及電子結(jié)構(gòu)決定了晶體材料的內(nèi)在物理化學(xué)性質(zhì)，就像生命體中基因的作用一樣。最近，北京大學(xué)深圳研究生院新材料學(xué)院潘鋒教授、鄭家新副教授應(yīng)邀在《國家科學(xué)評論》（National Science Review）上共同撰寫了總結(jié)與展望的觀點(diǎn)文章“‘Structure units’ as materials genes in cathode materials for lithium-ion batteries”，分析了鋰電池正極材料中的結(jié)構(gòu)基元是如何決定了它們內(nèi)在的物理化學(xué)性質(zhì)（導(dǎo)電性、離子遷移、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性和電荷轉(zhuǎn)移性質(zhì)），起到“材料基因”的作用。他們提出從材料“結(jié)構(gòu)基元”這一源頭，不僅將幫助我們更好更深地理解材料內(nèi)在的物理化學(xué)性質(zhì)，還會為未來理性設(shè)計(jì)性能更好的電池材料提供指導(dǎo)，就如生命科學(xué)中的基因工程一樣來調(diào)制材料中的基因（結(jié)構(gòu)基元）。

結(jié)構(gòu)基元與鋰電池物理化學(xué)性能的相關(guān)性

 

       該工作得到了國家材料基因工程重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、廣東省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和深圳市科技創(chuàng)新委員會等項(xiàng)目的大力支持。