哈工大团队突破低温锂电池瓶颈 双掺杂技术实现-30℃快充长循环

1月10日消息，随着锂离子电池在电动汽车、航空航天及寒冷地区能源系统中的应用场景持续拓展，其低温环境下的性能短板已成为制约行业发展的关键技术瓶颈。低温导致的快充困难、锂析出风险及容量衰减问题，长期困扰着极端环境下的电池应用，而安全性与能量密度的平衡难题，更是行业亟待突破的核心痛点。

从技术原理来看，受动力学限制，锂离子电池在低于0℃环境下，不仅充电速率大幅下降，还易在石墨负极表面诱发锂析出，形成锂枝晶并导致电池容量快速衰减。虽有钛酸锂（Li₄Ti₅O₁₂）等替代负极材料可提升安全性，但偏低的理论容量严重制约了电池能量密度，难以满足高端应用需求。对此，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结构，成功破解这一行业难题。

相关研究成果已于2026年1月1日发表在国际顶级期刊《Nano-Micro Letters》上，该期刊影响因子达36.3，位列JCR纳米、材料、物理学科Q1区前2%，其权威性为研究成果的学术价值提供了有力背书。这项研究创新性提出一种锂离子电池负极设计思路，可在-30℃极端低温下同时实现快速充放电与长循环寿命，为低温电池技术发展指明方向。

研究团队精准选定铌钛氧化物（TiNb₂O₇，简称TNO）作为核心研究对象。该材料具备约387 mAh/g的较高理论容量、安全的工作电位及优异的结构稳定性，是公认的潜在高性能负极材料，但电子导电性差、锂离子扩散缓慢的缺陷，尤其在低温下被放大，严重阻碍了其实际应用。不同于行业常见的表面包覆、纳米化改良策略，团队采用晶体学工程技术直接改造材料内部结构，实现根本性突破。

具体而言，团队采用一步固相法，在空气气氛下将Sb⁵⁺与Nb⁵⁺双掺杂元素引入TNO晶格。该方法选用常见的Sb₂O₃和Nb₂O₅作为原料，制备出尺寸介于500纳米至2微米的棒状晶体，且未检测到明显杂相，展现出良好的工艺可控性。相较于液相法、气相法，固相法更具安全环保优势，制成的材料性能更稳定，为后续产业化落地奠定基础。

实验验证环节，研究人员通过原位X射线衍射技术跟踪材料充放电相变行为，发现Sb/Nb共掺杂TNO遵循可逆的固溶体—两相—固溶体转变路径，无不可逆结构破坏。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，结构稳定性较传统材料大幅提升，彻底解决了低温循环的结构损耗问题。

研究团队指出，双元素掺杂通过精准调控材料电子结构、离子迁移通道及晶格稳定性，从根源上缓解了低温动力学限制。该技术不依赖稀缺元素，无需复杂工艺与惰性气氛，可与现有电池规模化生产体系兼容，产业化潜力显著。未来随着技术迭代优化，有望广泛应用于寒冷地区电动汽车、极地科考设备、航空航天能源系统等领域，推动极端环境能源存储技术的跨越式发展。