最低工作温度-70℃、极限充电倍率可达100C——新的有机锂电池材料在广州诞生，有望在手机、新能源车等各种产品上应用。
近日，华南理工大学发光材料与器件全国重点实验室黄飞教授团队与天津大学许运华教授团队合作，首次成功制备出高负载有机电极，并研发出能量密度突破250Wh/kg的有机软包电池。相关研究成果已在《自然》上发表，获得学术界和产业界的高度关注。
和目前常用的三元锂电池、磷酸铁锂电池相比，有机锂电池工作温域更宽、安全性更高、原料来源更丰富。本期《科技周刊》，我们将带大家一探新型有机锂电池的奥秘，畅想这一技术将给大家的生活带来哪些改变。
哎呀！实验步骤颠倒啦
哇哦！发现锂电新材料
黄飞教授介绍，这一新型有机电池材料主要基于名为聚（苯并二呋喃二酮）（PBFDO）的有机导电聚合物。2022年，团队就因发现并成功制备出该材料，将成果刊发在《自然》杂志上。这一材料的发现，源自团队成员唐浩然博士在实验室中的一次“偶然”发现。
有机锂电池可实现100C充电倍率。
2020年，正在华工读博士的唐浩然，在重复一项师兄论文中提及的操作流程时，不慎颠倒了反应的加料顺序，这一“无心插柳”之举，反倒让他观察到全新的现象，并获得了一种全新的材料。
新材料已率先用于电容器的电解质材料。
“我们意外发现，生成物质的n型导电性非常好，且在空气环境下很稳定。事实上，有机物的导电性能通常都比较差，直到20世纪70年代，科学家才找到了一些导电的有机高分子聚合物，从而很快发展出电子墨水等产业应用，但这类物质通常只能传输空穴，对应于半导体中的p型。但能够传输电子的n型导电聚合物在空气中很容易被氧化，使导电性快速下降，长期未能取得突破——而我们基于这次偶然发现，通过深入科学研究解析了PBFDO的结构，并验证了其超高的导电率与优异的空气稳定性，最终这一成果在《自然》上发表。目前，这一新材料已经应用于电致变色、电容器、电化学等多个领域，并且为电容器的国产化提供了关键技术支撑。”
新材料已率先用于电容器的电解质材料。
在此材料基础上，团队又历经3年多的系统攻关，进一步系统调控材料主链的电子载流子和锂离子的耦合行为，成功开发出兼具高电子导电率、高比容量以及高锂离子扩散系数的有机正极体系，即高性能PBFDO正极，并制作出能量密度突破250Wh/kg的有机软包电池。这一成果再度发表在《自然》杂志上。
“我们通过电子和锂离子的耦合效应与掺杂调控，实现快速的锂离子扩散速率，从而显著缩短充放电时间，在我们的实验过程中，它的充电倍率最高达到100C（1C指的是电池充满电需要1小时，100C相当于充电速度提高了100倍），这意味着有机锂电池在合适的电压和功率下，只需要几十秒钟就可以充满电。”唐浩然介绍，目前，他们在实验室已经制备出比手机稍大的有机锂电池。
黄飞告诉记者，此次向《自然》投稿的过程比较顺利，“《自然》的两位审稿人基本没有提出反对和疑问的意见，主要提出一些机理上的问题，让我们补做一些实验。比如，电池寿命的验证，我们就做了好几个月，虽然投稿过程较长，但整体都还算比较顺利。”
告别“冬日emo”告别自燃焦虑
1.在高低温都能稳定工作在高海拔高寒环境下，常见的锂电池容易出现“冬日emo”现象——续航缩水，甚至无法启动。而有机锂电池则可以在-70℃—80℃区间内安全工作。
2.电池原料获取自主可控目前广泛使用的三元锂电池，其中的镍、钴在我国储量较少，在全世界储量也不多。而有机锂电池本质上用的是碳、氢、氧等广泛存在的元素，使原材料的获取自主可控。
3.超强充电倍率当前，我国的新能源车电池最大充电倍率为10C，无机锂电池主要依靠锂离子在晶格里的嵌入、脱出实现充电，想要再提高充电倍率已面临瓶颈。有机锂电池不仅能够实现100C充电倍率，其充电过程的稳定性也非常好。
用n型导电高分子PBFDO材料制作的高端电容器。
4.安全性强不自燃团队专门就自研的有机锂电池进行了穿刺短路实验，发现有机锂电池即使是短路状态下，也不会自燃、爆燃。唐浩然表示，有机锂电池的电极材料，通常只要400℃就会自然分解成不导电物质，电池从短路变成了断路，温度也就自然下降，无法引燃周围的电解液。
5.可弯折可塑性强相较于常见的方方正正的无机锂电池包，有机锂电池可以做得非常柔软，适应各种空间的需求。
6.能量密度已与无机锂电池相当目前，实验室制作的电池，能量密度已突破250Wh/kg，已达到商用无机锂电池的能量密度水平，接下来有望突破更高能量密度。
实现产业转化向超100家单位供应材料
记者了解到，n型导电高分子PBFDO材料已获国家重点研发计划颠覆性技术创新专项论证支持，同时还获得江海电容器、新宙邦等产业基金支持，在聚镕光电（广州）新材料科技有限公司实现产业转化，面向全球超100家科研院校或企业提供材料供应。
唐浩然表示：“在国外，我们的PBFDO材料已经销往瑞典、英国等国家的企业或实验室；在国内，这种材料已率先用于电容器的电解质材料，这些电容器产品都是为芯片服务的，安装在一整个集成基板上。为测试稳定性，基板通常要做好几年的工艺验证，才能从样品变成商品，我们正在与头部企业进行联合攻关，预估这类电容器的面世还需要一两年时间。”
新材料已应用于电致变色、电容器、电化学等多个领域。
唐浩然说：“高端电容器是我国被‘卡脖子’比较严重的领域，国内企业虽然可以做出电容器，但一些关键材料仍靠进口。我们的新型材料如果验证成功，将为电容器产业提供新的技术路径，显著增强产业链的自主可控性。”
团队也正加快推进有机锂电池的实用化进程。唐浩然认为，有机锂电池有望首先用于手机等数码产品以及小型无人机的电池快充，而受制于目前我国超充桩的功率，要想在新能源车上实现100C的急速快充，仍有待时日。
目前，广州已有车企开展全固态电池研发落地工作。唐浩然介绍，PBFDO电极既适用于前沿的全固态电池，也适用于液态电池，“区别只在于中间电解质是液态还是固态的，因此新型有机电极都可以用。”
唐浩然认为，有机锂电池要实现大规模生产，还需要解决产线问题。“目前我们的电池产线仍主要针对三元无机材料等传统的锂电池产品，这与有机锂电池的生产尚不适配。要想大规模生产，就需要优秀的工程师从实际出发，改良和设计专门产线。”
科技企业谈创新
巨湾技研极快充技术稳居第一梯队
在产业端，广州科技企业不断提升超快充电池技术。广州“独角兽”企业巨湾技研生产的锂电池，其超快充速度在国内名列前茅。
2025年超充桩实行新国标后，巨湾技研已量产的成熟电池产品通过软件升级实现了性能跃升，基于800A新国标充电桩，公司的XFC极快充电池在5%—63%SOC区间充电耗时仅3分58秒，5分钟充入54.54kWh电量（5%—78%SOC），平均充电倍率达8.8C，其充电倍率超越同行在1000A非国标桩上的表现，稳居技术第一梯队。
有机锂电池
目前，搭载这些超快充电池的新能源汽车产品广汽埃安Vplus、北汽极狐T1、北汽制造锐胜M8等品牌的车型已陆续上市销售，可实现8至15分钟极速补能。
此外，公司的全固态电池研发正全面提速，全固态电解质研发实现新突破，获国家级项目支持，技术储备行业领先。公司还入选首届全国颠覆性技术创业之星TOP3“火星”企业。
“任何移动的东西都会电动化，只要电动化就需要超快充。”巨湾技研总裁裴锋表示，巨湾技研规划到2030年实现超百G瓦时产能，以10%—15%的市场占有率抢占赛道先机；在固态电池领域，计划于今年率先实现全固态电池量产。
统筹编辑：梁倩薇、嵇沈玲
文/广州日报新花城记者：武威
图/广州日报新花城记者：武威、李波
