开创新一代锂电池正极材料 推动全球电动车和能源储存转型

随着全球电动汽车（EV）市场及可再生能源的发展快速增长，产业对先进锂电池技术的需求也日益提升。香港城市大学（港城大）的科研团队早前获“产学研1+计划”拨款资助，以解决锂离子电池的“富锂正极材料”长期以来受电压衰减的影响，有助推出一系列新型电极材料，为锂离子电池带来更高能量密度、更长寿命和降低成本。团队计划建立一条年产量逾千吨的生产线，料可创造逾百就业机会。

由港城大物理学系刘奇教授领导的“开创下一代锂离子电池的先进正极材料”，为第二批获中华人民共和国香港特别行政区政府“产学研1+计划”（RAISe+ Scheme）资助的项目。团队将通过计划的拨款，于未来三年提升及完善下一代电极材料的生产线，借以加速科研成果的商业化和增加产业应用。

港城大物理学系刘奇教授（中）领导的“开创下一代锂离子电池的先进正极材料”项目，获“产学研1+计划”拨款资助。（图片来源：香港城市大学）

锂离子电池：全球能源转型的基础

锂离子电池技术被视为全球能源转型的基石，在智能科技和可再生能源储存系统，包括手机电池、电动汽车市场及大型太阳能发电站等应用中，至关重要。随着全球市场对电能需求不断增加，预计到2030年锂电池市场的规模将达至1,500亿美元，当中涉及电极材料部分的产业将占超过600亿美元。

在不同的电池正极材料中，“富锂层状氧化物”（LLOs）因其高容量、高运作电压，以及因原材料资源丰富而带来的成本优势，被广泛认为是锂离子电池的“终极正极材料”，并能显著地提升锂离子电池的运作效能。

不过，尽管富锂层状氧化物具有理论上的优势，但它在电压衰减、电容量衰减方面所面临的挑战，长期以来都对其商业化进程带来阻碍。

港城大物理学系刘奇教授（右）。（图片来源：香港城市大学）

解决长期存在的电压衰减挑战

为解决上述困难，研究团队通过将额外的过渡金属（transition metal, TM）融入正极材料，从而增强其蜂窝结构的稳定性，抑制了氧气释放、阳离子迁移和结构降解等情况，有效地解决电压衰减的核心问题。团队的方案为富锂层状氧化物带来更高性能，亦为其商业化进程提供更坚实的基础。

此外，团队运用先进的“表面工程技术”来处理因材料表面降解、过渡金属离子溶解、结构崩塌、电解腐蚀等引致的电容量衰减。团队在煅烧过程（将固体物料加热至高温的处理过程）中，加入了包括碳涂层等保护剂，利用此保护层确保材料的长期稳定性，标志着能源储存技术的重大进步。

这项突破性科研技术曾于2023年的国际期刊《自然能源》（Nature Energy）上发表。在实验室科研成果的基础上，团队将加速以下两条生产线的商业化进程：一）传统锂离子电池用富锂锰基正极材料，令电池能量密度可提高超过三成及降低成本、二）固态锂电池用富锂锰基正极材料。

“富锂层状氧化物”（LLOs）被认为是锂离子电池的“终极正极材料”。（图片来源：香港城市大学）

材料生产扩展至全球

刘教授说：“研究团队成功使正极材料——富锂层状氧化物，发挥真正的商业潜力。此项技术不但以更低成本提供更高的能量密度，更为电动汽车市场及能源储存应用开辟更多可能。项目不但展示了香港在新一代能源技术方面的优势和实力，也助力香港在全球高新科技市场占据领先地位。”

团队早前已成立“速方新能源科技有限公司”，并搭建了一条年产量为百吨级的生产线，致力于高性能富锂锰基正极材料的开发与产业化发展。团队期望在“产学研1+计划”的支持下，可于未来三年于东南亚或韩国等地，建立一条年产量为1,000吨的生产线，并预计可创造约100个与研究、制造和工程相关的创新就业机会。