在全球能源转型的大背景下，锂离子电池作为最具发展潜力的储能技术之一，正在为社会提供清洁能源解决方案，并在缓解气候变化方面发挥重要作用。随着新能源汽车的快速发展和清洁能源转型的深入推进，市场对锂离子电池提出了更高要求。然而，开发兼具高能量密度和低成本的下一代锂离子电池仍面临诸多挑战。
香港城市大学物理系教授刘奇及其团队在这一领域进行了深入研究。他长期致力于突破锂电池技术瓶颈，在正极材料、负极材料和基础研究方法等多个方向取得重要突破，还在快充技术、原位检测技术等方面取得了重要进展。立足科研创新前沿，心系教育与产业发展，刘奇教授以其独特的学术视野和执着的探索精神，在锂电池领域留下了浓墨重彩的一笔。
1. 主要创新工作
1.1 突破富锂锰基材料电压衰减瓶颈
在锂电池技术的不断进步中，正极材料始终扮演着决定性的角色。相较于负极，正极材料在容量和成本方面往往表现出更大的局限性，成为制约电池整体性能提升的瓶颈。因此，寻找新型正极材料成为当前研究的重中之重。在众多新型正极材料中，富锂锰基层状氧化物（LMR）展现出独特优势。不过，要将LMR材料推向实际应用，仍需解决其固有的电压衰减和循环稳定性问题。
刘奇教授团队针对富锂锰基（LMR）层状氧化物这一极具前景的正极材料展开研究。团队通过精确的原子结构调控，设计出一种创新的"帽子式"超结构，他们通过特殊的离子交换工艺，在O2相LMR材料的锂层中引入了过渡金属离子。这些离子被精确地放置在蜂窝结构中锂离子的正上方或下方，就像给不稳定的蜂窝结构戴上了一顶"帽子"。通过电镜观察、结构解析和理论计算，研究团队证实这种特殊构型能够有效地固定氧离子，抑制氧气的释放，从而稳定整个蜂窝结构，这一发现解决了困扰富锂锰基材料实际应用的电压衰减问题。
这一创新设计为团队带来了令人瞩目的实验结果。新型LMR材料在2.0-4.7V电压范围内展现出254.4毫安时/克的高初始放电比容量，能量密度达到836瓦时/千克，较商用NCM622三元正极材料提升了20%-30%。更重要的是，在C/3倍率下循环50次后，材料的电压衰减仅为0.02毫伏/圈，容量保持率高达96%，这一性能表现远优于此前报道的LMR材料。即便在2C的高倍率下，该材料仍能提供206毫安时/克的高放电容量。这种无钴的LMR正极材料不仅在性能上取得重要突破，还因为减少了对稀缺金属钴的依赖而具有成本优势，展现出广阔的商业化应用前景。
1.2 开发快充负极材料新技术
电动汽车的快速充电能力一直是制约其大规模普及的关键因素之一。然而，要实现快速充电，不仅需要配套设施的支持，更需要电池材料本身具备快速吸纳和释放锂离子的能力。传统的石墨负极材料虽然具有较高的容量和较低的成本，但其快充性能却难以满足需求。一旦采用过高的充电倍率，不仅会导致容量严重损失，还可能引发锂枝晶生长等安全隐患。因此，开发兼具高倍率性能和优异循环稳定性的新型负极材料，成为新能源汽车领域亟待突破的技术难题。
在这一研究方向上，刘奇教授团队开发出的新型钛铌氧化物材料取得了显著进展。这种材料不仅具有快速充放电能力，有望将电动汽车的充电时间从数小时缩短至3-6分钟，而且表现出优异的循环稳定性，经过500次充放电循环后仍能保持98.7%的容量，为解决电动汽车充电效率问题提供了新的思路。
1.3 推动钴酸锂正极材料性能提升
在锂离子电池发展30多年来，钴酸锂作为第一代商业化正极材料，凭借其优异的能量密度和循环性能，在便携式电子设备市场占据主导地位。然而，随着智能手机、平板电脑等设备功能日益强大，人们对电池续航能力的要求也在不断提高。理论上，钴酸锂材料可以提供高达274毫安时/克的容量，但在实际应用中，为了确保材料的结构稳定性和循环寿命，其充电电压往往被限制在4.2V左右，这使得可用容量仅有140毫安时/克左右。如何在保证安全性和寿命的前提下，进一步挖掘钴酸锂材料的潜力，成为困扰产业界多年的难题。
在这一领域，刘奇教授作为核心成员参与了与华为中央研究院的合作项目。团队成功将锂离子电池充电电压提升至4.5伏，使可逆容量达到190毫安时/克，较此前的140毫安时/克有显著提升，这一成果意味着在相同电池重量下可以储存更高的电池容量，带来更久的续航时间。刘教授同时指出，随着研究深入，钴酸锂材料的性能已经越来越接近其理论极限。要实现更大的突破，需要开发新型正极材料，这也是他此后投入大量精力研究富锂锰基材料的重要原因。这种具有前瞻性的研究布局，体现了一位资深科研工作者的战略眼光。
2. 教育与产学研贡献：
除了科研工作，刘奇教授始终热心于教育事业和科普工作。在他看来，科技创新的延续需要强有力的人才支撑，而激发青少年对科学的热爱、培养未来科技人才是每一位科研工作者义不容辞的责任。基于这样的理念，即便在繁忙的科研工作之余，他也坚持走进中小学课堂，与青少年分享科学知识，传播科学精神。同时，他积极推动科研成果转化，与产业界保持密切合作，致力于将创新技术推向市场应用。
作为锂电池领域的杰出专家，刘奇教授始终站在科技创新的前沿。他带领团队攻克了富锂锰基材料的电压衰减、钴酸锂的高电压应用等多项技术难题，为新能源产业的发展注入了新的活力；他也始终保持着对基础科学的执着追求，善于运用原位同步辐射、中子散射等先进表征手段深入探究材料本质，并在此基础上提出创新性解决方案。这种从机理认识到实际应用的研究思路，不仅推动了科学发现，更加速了技术转化进程。在取得重要科研成果的同时，刘奇教授还展现出了一位优秀教育者的担当，这种既仰望星空又脚踏实地的治学态度，既为科技发展播撒下希望的种子，也为后辈树立了良好的榜样。未来，相信以刘奇教授为代表的科研工作者必将继续引领技术突破，为推动人类社会可持续发展作出更大贡献。
专家简介：刘奇，香港城市大学物理系教授，终身副教授，博士生导师，港城大中子科学技术中心副主任，中国硅酸盐学会固态离子学分会理事。刘奇教授长期致力于锂电池领域研究，具有扎实的理论背景与丰富的技术储备，已在物理、化学、材料和工程领域做出众多原创性工作。例如，聚焦于层状氧化物正极材料的容量提升与相结构调变研究，发展晶相调控技术，开发出多种结构稳定的高能量密度层状氧化物正极材料；专注于负极材料的倍率和安全性研究，提出表面修饰、晶相调控等设计手段，显著提升了荷质传输效率和结构稳定性，开发出一系列高安全高倍率锂电池负极材料。刘奇教授同时也长期从事原位同步辐射技术和中子散射技术在电化学反应、微波化学合成反应、材料合成、能量储存等过程中原位检测、反应机理和反应动力学研究方面的应用。截至目前，刘奇教授已发表包括 Nature 及其子刊（12 篇）在内的 SCI 期刊论文 120 余篇。
