近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)季恒星教授研究組與合作者們，在新型鋰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)合材料使兼具高容量、快速充電且長壽命的鋰離子電池成為可能，該成果已在《科學(xué)》雜志發(fā)表。該研究成果也有望解決目前電動(dòng)汽車充電時(shí)間較長的難題。

電極材料決定充電速度

據(jù)季教授介紹，該研究成果是關(guān)于一款用在鋰離子電池當(dāng)中的新型電極材料。大家對于鋰離子電池都不陌生，它是一款改變了人們生活方式的發(fā)明。人們希望手機(jī)越來越輕薄，而決定手機(jī)是否輕薄的一個(gè)關(guān)鍵因素，就是電池的體積和重量。

人們希望電動(dòng)汽車充電的時(shí)間和燃油車加油的時(shí)間相當(dāng)。但目前最好的技術(shù)，也只能讓電動(dòng)汽車充滿電的時(shí)間在一個(gè)小時(shí)左右。如果想提高電池充電速度，就需要一款電化學(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)。

“我們希望能夠發(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。”季恒星說。

論文第一作者金洪昌博士說：“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(gè)重要因素。”

黑磷復(fù)合材料性能優(yōu)異

基于前人的研究，團(tuán)隊(duì)研究人員發(fā)現(xiàn)，黑磷是個(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)；再次，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)。這三方面的優(yōu)異性質(zhì)，讓黑磷成為一款非常有潛力的、能夠?qū)崿F(xiàn)鋰離子電池快充的電極材料。

理想很豐滿，但現(xiàn)實(shí)比較骨感。目前經(jīng)一系列的研究發(fā)現(xiàn)，黑磷的綜合性能指標(biāo)跟預(yù)期仍有一定的差距。為解決這一問題，團(tuán)隊(duì)研究人員一方面把黑磷跟石墨通過碳磷共價(jià)鍵的方式連接在一起，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，這樣就極大地提高了原本可能受限的鋰離子傳導(dǎo)；另一方面，他們給這個(gè)復(fù)合材料穿上了一層“衣服”，讓電極在周圍充滿電解液的環(huán)境下，界面更穩(wěn)定，更適合鋰離子的進(jìn)入。經(jīng)過如此優(yōu)化，這款黑磷復(fù)合材料有了性能上的突破。

有望實(shí)現(xiàn)10分鐘充滿電

“ 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，經(jīng)實(shí)驗(yàn)測量，這種電極片充電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)研究所的辛森研究員說：“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(jì)，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。”

據(jù)悉，具備能量密度350 瓦時(shí)/千克的鋰離子電池，能使電動(dòng)汽車的行駛里程接近1000 千米。目前，特斯拉Model S 滿電后的行駛里程約為650 千米。同時(shí)，快速充電能力也會讓電動(dòng)汽車的用戶體驗(yàn)上升一個(gè)臺階。

“在綜合考慮壓實(shí)密度、面負(fù)載量等工業(yè)界比較關(guān)心的一系列技術(shù)指標(biāo)的前提下，我們有可能讓電動(dòng)汽車在10 分鐘左右的時(shí)間內(nèi)充滿電，并能行駛約500 公里。”季恒星教授表示，帶著這樣的一個(gè)愿景，科研團(tuán)隊(duì)還有大量的工作要做，尤其是在基礎(chǔ)研究層面和規(guī)?；苽浼夹g(shù)方面，他們對未來充滿希望。

在新技術(shù)的基礎(chǔ)上，該團(tuán)隊(duì)將在基礎(chǔ)研究層面和規(guī)?；苽浼夹g(shù)方面繼續(xù)探索。季教授說：“我們將在現(xiàn)有基礎(chǔ)上繼續(xù)努力，使論文中的研究成果更加貼近電池產(chǎn)業(yè)的要求。”