锂电池零下 30°C 也能快充：哈工大晶体学工程突破，实现快充与长续航兼得

随着锂离子电池在电动汽车、航空航天以及寒冷地区能源系统中的应用不断扩大，其在低温环境下的性能问题已成为关键技术瓶颈。

由于动力学限制，锂离子电池在低于零度时不仅快充困难，还容易在石墨负极上诱发锂析出，导致容量迅速衰减。尽管钛酸锂（Li₄Ti₅O₁₂）等替代负极在安全性方面具有优势，但其理论容量偏低，严重限制了能量密度。如何在安全性与能量密度之间取得平衡，成为极端环境下电池技术的核心难题。

因此，哈尔滨工业大学化工与化学学院副院长娄帅峰与张岩教授团队通过晶体学工程手段，从原子尺度重塑材料内部结构，显著改善了低温条件下的离子与电子传输行为。

相关研究成果已于 1 月 1 日发表在《Nano-Micro Letters》，展示了一种在 −30 ℃ 仍可实现快速充放电和长循环寿命的锂离子电池负极设计思路。

研究团队选择 TiNb₂O₇（TNO）作为研究对象。该材料因具备约 387 mAh/g 的较高理论容量、安全的工作电位以及良好的结构稳定性，被视为潜在的高性能负极材料；但其电子导电性差、锂离子扩散缓慢，尤其在低温下更加突出，长期制约了实际应用。针对这一问题，研究人员并未采用常见的表面包覆或纳米化策略，而是通过晶体学工程直接改造材料内部结构。

具体而言，团队采用一步固相法，在空气气氛下将 Sb⁵⁺ 与 Nb⁵⁺ 作为双掺杂元素引入 TNO 晶格。 从论文获悉，该方法使用常见的 Sb₂O₃ 和 Nb₂O₅ 原料，制备得到尺寸约 500 纳米至 2 微米的棒状晶体，且未检测到明显杂相，显示出良好的工艺可控性和产业兼容性。

通过原位 X 射线衍射，研究人员跟踪了材料在充放电过程中的相变行为，结果表明，Sb / Nb 共掺杂 TNO 在循环过程中遵循可逆的固溶体 — 两相 — 固溶体转变路径，没有发生不可逆结构破坏。进一步的同步辐射三维纳米 CT 分析显示，即便在 −30 ℃ 条件下循环 500 次后，晶体仍保持完整、无裂纹，验证了晶体学工程对结构稳定性的显著提升。

研究认为，双元素掺杂通过精确调控电子结构、离子迁移通道及晶格稳定性，从根本上缓解了低温条件下的动力学限制。这一策略不依赖稀缺元素，也无需复杂工艺或惰性气氛，具备与现有电池规模化生产体系相兼容的潜力。