video: High energy, high rate, and long cycle life is the holy grail of battery research. An international team of researchers published details of an engineered electrode material that allows for such advanced batteries on Oct 8th in Science. The black phosphorous composite material has a more stable structure and a higher lithium ion storage capacity, and performs better in preventing electrolytes deposition. view more
Credit: News Center of University of Science and Technology of China
汽车愈发受到市场青睐，但漫长的充电时间也让人望而却步。传统燃油汽车仅需五分钟即可满油增程500公里，所谓“立等可取，行驶千里”。而目前市售最先进的电动汽车则需要“坐等”充电一小时才能达到同样的增程效果。发展具有快速充电能力的大容量锂离子电池一直是该行业的重要目标。一项最新研究突破使该目标更加接近。
中国科学技术大学季恒星教授研究组与合作者们在新型锂离子电池电极材料研究方面取得重大突破：全新设计的黑磷复合材料使兼具高容量、快速充电且长寿命的锂离子电池成为可能。该成果今天在国际重要学术期刊《Science》上线。
电极材料是决定电池性能指标的关键因素之一。“我们希望能够发现一款既能在综合性能指标方面给行业以期待，又能适应工业化电池生产流程的电极材料。”季恒星教授说。
论文第一作者金洪昌博士介绍：“能量通过锂离子与电极材料的化学反应进出电池，因此电极材料对锂离子的传导能力是决定充电速度的关键；另一方面，单位质量或体积的电极材料容纳锂离子的多少也是一个重要因素。“
黑磷是白磷的同素异形体，特殊的层状结构赋予它很强的离子传导能力和高理论容量，是极具潜力的满足快充要求的电极材料。然而黑磷容易从层状结构的边缘开始发生结构破坏，实测性能远低于理论预期。季恒星团队采用“界面工程”策略将黑磷和石墨通过磷碳共价键连接在一起，在稳定材料结构的同时提升了黑磷石墨复合材料内部对锂离子的传导能力。
但电极材料在工作过程中会被电解液逐渐分解的化学物质所包裹，部分物质会阻碍锂离子进入电极材料，就像玻璃表面的灰尘阻碍光线穿透。研究团队用轻薄的聚合物凝胶做成防尘外衣“穿”在黑磷石墨复合材料表面，使锂离子得以顺利进入。
“我们采用业界常规的工艺路线和技术参数将黑磷复合材料做成电极片。实验室的测量结果表明，采用该电极的锂离子电池充电9分钟即可恢复约80%的电量，同时2000次循环后仍能保持90%的容量。”共同第一作者，中国科学院化学研究所的辛森研究员介绍说，”如果能够实现这款材料的大规模生产，同时找到匹配的电池正极材料和其他辅助材料，将有望获得电池能量密度达到350瓦时/千克，具备10分钟快充能力的锂离子电池。”
具备能量密度350瓦时/千克的锂离子电池能够使电动汽车的行驶里程接近1000千米，而特斯拉Model S满电后的行驶里程为650千米。10分钟的快速充电能力将使电动汽车的用户体验上升一个台阶。
在新技术的基础上，团队将在基础研究层面和规模制备技术方面继续探索。 “深入认识电极材料的微观结构、理化性质和电化学反应过程等基础科学问题，掌握以界面工程为例的化学手段，同时了解产业界对核心材料的性能需求是实现电池技术突破，推进相关领域如消费电子、电动汽车行业发展的必备条件。”季教授说道，“我们将在现有基础上持续努力，使论文中的研究结果更加贴近电池产业的要求。
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