中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)季恒星教授研究組與美國加州大學(xué)洛杉磯分校、中國科學(xué)院化學(xué)研究所等機構(gòu)合作，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)計的黑磷復(fù)合材料使鋰離子電池兼具高容量、快速充電且長壽命成為可能。該成果于北京時間10月9日在《Science》雜志上發(fā)表。

如今電動汽車愈發(fā)受到市場青睞，但漫長的充電時間也讓人望而卻步。傳統(tǒng)燃油汽車僅需5分鐘即可滿油增程500公里，而目前市售最先進(jìn)的電動汽車則需要“坐等”充電一小時才能達(dá)到同樣的增程效果。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汽車行業(yè)的重要目標(biāo)。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的這項最新研究突破使人類距離該目標(biāo)更近了一步。

論文第一作者金洪昌博士介紹：“在鋰離子電池中，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;另一方面，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重要因素。”

黑磷是白磷的同素異形體，特殊的層狀結(jié)構(gòu)賦予了它很強的離子傳導(dǎo)能力和高理論容量，是極具潛力的滿足快充要求的電極材料。然而黑磷容易從層狀結(jié)構(gòu)的邊緣開始發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞，實測性能遠(yuǎn)低于理論預(yù)期。

為此，季恒星團隊采用“界面工程”策略將黑磷和石墨通過磷碳共價鍵連接在一起，在穩(wěn)定材料結(jié)構(gòu)的同時提升了黑磷石墨復(fù)合材料內(nèi)部對鋰離子的傳導(dǎo)能力。針對電極材料在工作過程中會被電解液逐漸分解的化學(xué)物質(zhì)所包裹，部分物質(zhì)會阻礙鋰離子進(jìn)入電極材料，就像玻璃表面的灰塵阻礙光線穿透一樣。研究團隊用輕薄的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。

“我們采用常規(guī)的工藝路線和技術(shù)參數(shù)將黑磷復(fù)合材料做成電極片。實驗室的測量結(jié)果表明，電極片充電9分鐘即可恢復(fù)約80%的電量，2000次循環(huán)后仍可保持90%的容量。”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，“如果能夠?qū)崿F(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，并針對電芯結(jié)構(gòu)、熱管理和析鋰防護(hù)等進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，將有望獲得能量密度達(dá)350瓦時/千克并具備快充能力的鋰離子電池。”

這樣的鋰離子電池能夠使電動汽車的行駛里程接近1000公里，而特斯拉Model S滿電后的行駛里程為650公里。快速充電能力將使電動汽車的用戶體驗上升一個臺階。