重大突破！新型黑磷復(fù)合材料快速充電且長壽命

日前，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)季恒星教授團(tuán)隊(duì)在國際頂尖雜志《科學(xué)》上刊發(fā)了一項(xiàng)科研成果——他們在新型鋰離子電池電極材料研究方面取得重大突破：全新設(shè)計(jì)的黑磷復(fù)合材料有可能制備出兼具高容量、快速充電且長壽命三大優(yōu)點(diǎn)的鋰離子電池。

季恒星介紹，如果這項(xiàng)技術(shù)投入使用，“我們有可能讓電動(dòng)汽車在10分鐘左右充滿電，并能行駛約500公里”。充電時(shí)間長，一直是電動(dòng)汽車的短板。目前，市售最先進(jìn)電動(dòng)汽車需要“坐等”充電一小時(shí)才能行駛約500公里。發(fā)展具有快速充電能力的大容量鋰離子電池，一直是電動(dòng)汽車行業(yè)的重要目標(biāo)。

電極材料是決定電池性能指標(biāo)的關(guān)鍵因素。“想提高電池充電速度，需要一款電化學(xué)反應(yīng)速度很快的材料。其中一個(gè)非常重要的判斷標(biāo)準(zhǔn)就是，電極材料傳導(dǎo)電子和離子的能力是否夠強(qiáng)。”季恒星說，研究團(tuán)隊(duì)希望能夠發(fā)現(xiàn)一款既能在綜合性能指標(biāo)方面給行業(yè)以期待，又能適應(yīng)工業(yè)化電池生產(chǎn)流程的電極材料。

論文第一作者金洪昌博士介紹：“能量通過鋰離子與電極材料的化學(xué)反應(yīng)進(jìn)出電池，因此電極材料對鋰離子的傳導(dǎo)能力是決定充電速度的關(guān)鍵;另外，單位質(zhì)量或體積的電極材料容納鋰離子的多少也是一個(gè)重要因素。”

季恒星團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，黑磷是一個(gè)優(yōu)異的選擇。首先，它的理論容量非常高，僅次于單晶硅或金屬鋰。其次，作為一款半導(dǎo)體材料，它傳導(dǎo)電子的能力很強(qiáng)。第三，黑磷具有層狀結(jié)構(gòu)，鋰離子可以在黑磷片層的層間快速傳導(dǎo)。這些優(yōu)異性質(zhì)讓黑磷成為一款非常有潛力、能夠?qū)崿F(xiàn)鋰離子電池快充的電極材料。

黑磷是白磷的同素異形體，是極具潛力可滿足快充要求的電極材料。但目前一系列研究發(fā)現(xiàn)，黑磷綜合性能指標(biāo)與預(yù)期具有一定差距。黑磷容易從層狀結(jié)構(gòu)邊緣發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞，實(shí)測性能遠(yuǎn)低于理論預(yù)期。為此，季恒星團(tuán)隊(duì)采用“界面工程”策略將黑磷與石墨通過磷碳共價(jià)鍵連接在一起，使它的結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，鋰離子進(jìn)入黑磷顆粒的過程更加容易，這樣就極大提高了原本可能受限的鋰離子傳導(dǎo)。

此外，電極材料在工作過程中會(huì)被電解液逐漸分解的化學(xué)物質(zhì)所包裹，部分物質(zhì)會(huì)阻礙鋰離子進(jìn)入電極材料，就像玻璃表面的灰塵阻礙光線穿透。研究團(tuán)隊(duì)為此給這個(gè)復(fù)合材料穿上了一層衣服，他們用輕薄聚合物凝膠做成防塵外衣“穿”在黑磷石墨復(fù)合材料表面，使鋰離子得以順利進(jìn)入。

“在這兩個(gè)層面的界面優(yōu)化下，這款黑磷復(fù)合材料達(dá)到了性能上的突破。”季恒星說。

“我們采用常規(guī)工藝路線與技術(shù)參數(shù)將黑磷復(fù)合材料做成電極片。實(shí)驗(yàn)室測量結(jié)果表明，電極片充電9分鐘即可恢復(fù)約80%電量，2000次循環(huán)后仍可保持90%容量。”論文共同第一作者，中國科學(xué)院化學(xué)研究所研究員辛森介紹說，如果能實(shí)現(xiàn)這款材料的大規(guī)模生產(chǎn)，找到匹配的正極材料及其他輔助材料，優(yōu)化設(shè)計(jì)后將有望獲得能量密度達(dá)350瓦時(shí)/千克，并具備快充能力的鋰離子電池——這意味著能夠使電動(dòng)汽車行駛里程接近1000千米，并將使電動(dòng)汽車用戶體驗(yàn)感上升一個(gè)臺(tái)階。

在此基礎(chǔ)上，季恒星團(tuán)隊(duì)將在基礎(chǔ)研究層面與規(guī)模制備技術(shù)方面繼續(xù)探索。深入認(rèn)識(shí)電極材料微觀結(jié)構(gòu)、理化性質(zhì)與電化學(xué)反應(yīng)過程等基礎(chǔ)科學(xué)問題，同時(shí)了解產(chǎn)業(yè)界對核心材料的性能需求，這些是實(shí)現(xiàn)電池技術(shù)突破，推進(jìn)消費(fèi)電子、電動(dòng)汽車等相關(guān)領(lǐng)域發(fā)展的必備條件。“實(shí)現(xiàn)這個(gè)愿景，仍有大量工作要做，但我們對未來充滿了希望。”季恒星說。