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

2025-10-20 11:58:53北京理工大學(xué)閱讀量：14321      我要評(píng)論

　　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。

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過程中面臨的主要局限，總結(jié)了其多尺度物理化學(xué)過程之間存在的內(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)(超薄鋰與雙無鋰電極共組裝開發(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、美國能源部新聞等報(bào)道。2023年6月入職以來，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。國家級(jí)領(lǐng)軍人才，英國皇家化學(xué)學(xué)會(huì)會(huì)士、中國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。國家級(jí)領(lǐng)軍人才，英國皇家化學(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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