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汽車充電時間較長的難題。

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。人們希望手機越來越輕薄，而決定手機是否輕薄的一個關(guān)鍵因素，就是電池的體積和重量。

人們希望電動汽車充電的時間和燃油車加油的時間相當(dāng)。但目前最好的技術(shù)，也只能讓電動汽車充滿電的時間在一個小時左右。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。

“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。”

黑磷復(fù)合材料性能優(yōu)異

基于前人的研究，團隊研究人員發(fā)現(xiàn)，黑磷是個優(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；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，團隊研究人員一方面把黑磷跟石墨通過碳磷共價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)實驗測量，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)、熱管理和析鋰防護等進行優(yōu)化設(shè)計，將有望獲得能量密度達350 瓦時/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/千克的鋰離子電池，能使電動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，快速充電能力也會讓電動汽車的用戶體驗上升一個臺階。

“在綜合考慮壓實密度、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，我們有可能讓電動汽車在10 分鐘左右的時間內(nèi)充滿電，并能行駛約500 公里。”季恒星教授表示，帶著這樣的一個愿景，科研團隊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，該團隊將在基礎(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。”