从智能手机到电动汽车，从近太空探测器到可穿戴设备，现代社会对电池的要求正经历革命性变化——既要更轻、更薄，又要充得更快、用得更久。然而，能量密度、充电速度、安全性如同难以逾越的“三重门”，长期制约着储能技术的发展。近日，东华大学材料科学与工程学院、先进纤维材料全国重点实验室廖耀祖教授团队在电池储能材料领域连获突破，四项重磅成果接连登上国际顶级期刊，为破解这一难题提供了全新方案。

突破一：打造锂离子“高速路”，极端环境稳如磐石

锂金属电池快充时，锂离子常“堵车”导致性能下降甚至起火。研究团队创新性地设计出一种分级共价有机框架多孔隔膜（PAN/AM-COF），犹如为锂离子修建了“立体交通网”。亲锂微孔通道：像智能闸门般精准筛选锂离子；分级联通孔道：实现3.33 mS cm⁻¹超高离子电导率；热稳定性屏障：100 °C高温下仍能稳定循环300次。搭载该隔膜的磷酸铁锂电池，在30C超高倍率（约12分钟充满）下，每次循环容量衰减仅0.037%，为低空飞行器、急用医疗设备等极端场景提供可靠电源。相关成果发表于《先进能源材料》（Advanced Energy Materials, 2024, 14, 2401146）。

图一 分级共价有机框架多孔隔膜设计思路

突破二：全球首创新型电池架构，56秒极速充电

更令人振奋的是，团队首次提出全纳米纤维共价有机框架电池（ANCB）概念——用同类型纳米多孔材料同时制造电池的正极、负极和隔膜（图二）。这种“三位一体”设计带来惊人性能：能量密度达517 Wh/kg（接近顶级锂电池）、功率密度飙升至9771 W/kg（超普通电池十倍）、56秒完成超快充（极端电流环境）。“这相当于用造羽毛的材质，实现了钢铁的强度。”廖耀祖教授比喻道。该设计同步破解高能量与高功率不可兼得的难题，相关研究登上《ACS纳米》（ACS Nano, 2024, 18, 29189）。

图二 全纳米纤维COFs电池设计概念图

突破三：分子级改造，催生万次长寿电极

针对电极反应速度慢的痛点，团队开发出喹啉连接离子型框架材料（iQCOF）。通过分子结构精密调控（图三）：引入三氮唑离子液体“锁住”阴离子，构建π桥提升电子“跃迁”效率，优化平面结构加速电荷流动，使材料获得407 mAh/g超高比容量，在10 A/g大电流下循环10000次后仍保持优异的能量密度，30秒快充不再是梦。该成果被《德国应用化学》以重要论文刊发（Angewandte Chemie International Edition, 2025, 202505207）。

图三喹啉连接的离子型共价有机框架设计思路

突破四：铜离子巧助阵，传质飙升38倍

面对多孔电极活性不足的挑战，团队另辟蹊径——用铜离子配位修饰卟啉聚合物（PPCMP-Cu）。铜离子的加入（图四）：重塑电子云结构，缩小能带间隙，将离子扩散速度提升38倍，实现702 Wh/kg超高能量密度，5 A/g电流下76秒快充，功率密度超12000 W/kg。“这好比给电池装上了涡轮增压器。”论文共同通讯作者吕伟副研究员表示。该研究为解决电极动力学瓶颈开辟新路径，发表于《化学科学》（Chemical Science, 2025. DOI:10.1039/D4SC08244C）。

图四 铜介导双极性卟啉基CMP设计概念图

目前该系列技术已完成实验室验证，团队正与企业合作推进产业化。廖耀祖教授展望：“轻质快充电池将使折叠屏手机更轻薄，让电动汽车续航翻倍，甚至助力火星探测器轻装远征。”随着国家重点研发计划等项目的持续支持，属于未来的“轻量超能”电池正加速走进现实。

该项研究由东华大学材料科学与工程学院、先进纤维材料全国重点实验室完成，获国家自然科学基金、长江学者奖励计划等支持，彰显中国在新能源材料领域的原始创新能力。