能源和環境是人類賴以生存的物質基礎，也是當今時代面臨的兩大問題。能源研究的核心是研發新型能源材料，提高能源利用效率和儲能容量。鋰離子電池作為清潔能源，被廣泛應用于人工智能、電動汽車、無人機等前沿科技領域。然而，當前鋰離子電池的能量密度、穩定性能和倍率性能，還遠遠不能滿足科技快速發展的需要。手機電池爆炸、新能源汽車的安全隱患、無人機的續航時間短等問題困擾著新技術的進一步推廣應用。正極材料是鋰離子電池的核心部分，理想的正極材料應該具有能量密度高、充放電循環性能好、安全穩定、成本低廉、環境友好等特點。隨著傳統科研的逐步深入，材料的自身屬性和設計機理成為這一領域研究的瓶頸。

       鋰電池代表性正極材料中的結構基元。圖中小圈表示結構基元，外圈是由這些結構基元之間排列組合形成的鋰電池正極材料

 

       晶體材料最基本的結構基元是晶格原子及其配位環境，它們按照一定的空間群結構進行周期性排列形成晶體。例如所有鋰離子電池的正極材料都是由鋰離子，過渡金屬離子，以及陰離子的結構基元組成。一般而言，結構基元中的成鍵相互作用以及電子結構決定了晶體材料的內在物理化學性質，就像生命體中基因的作用一樣。最近，北京大學深圳研究生院新材料學院潘鋒教授、鄭家新副教授應邀在《國家科學評論》（National Science Review）上共同撰寫了總結與展望的觀點文章“‘Structure units’ as materials genes in cathode materials for lithium-ion batteries”，分析了鋰電池正極材料中的結構基元是如何決定了它們內在的物理化學性質（導電性、離子遷移、結構穩定性、熱穩定性和電荷轉移性質），起到“材料基因”的作用。他們提出從材料“結構基元”這一源頭，不僅將幫助我們更好更深地理解材料內在的物理化學性質，還會為未來理性設計性能更好的電池材料提供指導，就如生命科學中的基因工程一樣來調制材料中的基因（結構基元）。

結構基元與鋰電池物理化學性能的相關性

 

       該工作得到了國家材料基因工程重點研發計劃、廣東省重點實驗室和深圳市科技創新委員會等項目的大力支持。