新型電極材料“助力”鋰電池“快充”
時間:2020-10-12 10:58來源:中國科學報 作者:桂運安 胡冬寅
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充電9分鐘可恢復約80%的電量、2000次循環后仍可保持90%的容量……中國科學技術大學教授季恒星研究組與合作者全新設計的新型鋰電池電極材料——黑磷復合材料，使兼具高容量、快速充電能力且長壽命的鋰電池成為可能。該成果10月9日發表在《科學》。
隨著環保意識深入人心，電動汽車愈發受到市場青睞，但漫長的充電時間令人望而卻步。電極材料是決定電池性能的關鍵因素之一。“我們希望發現一款既能在綜合性能指標方面給行業以期待，又能適應工業化電池生產流程的電極材料。”季恒星表示。論文第一作者、季恒星團隊成員金洪昌介紹，能量通過鋰離子與電極材料的化學反應進出電池，因此電極材料對鋰離子的傳導能力是決定充電速度的關鍵；單位質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，特殊的層狀結構賦予它很強的離子傳導能力和高理論容量，是極具潛力滿足快充要求的電極材料。然而，黑磷容易從層狀結構的邊緣開始發生結構破壞，實測性能遠低于理論預期。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，在穩定結構的同時提升了材料內部對鋰離子的傳導能力。團隊還用輕薄的聚合物凝膠做成防塵外衣“穿”在復合材料表面，使鋰離子可以順利進入。
“我們采用常規的工藝路線和技術參數，將黑磷復合材料做成電極片。”論文共同第一作者、中國科學院化學研究所研究員辛森介紹，如果能夠實現這款材料的大規模生產，找到匹配的正極材料及其他輔助材料，并針對電芯結構、熱管理和析鋰防護等進行優化設計，將有望獲得能量密度達每千克350瓦時且具備快充能力的鋰電池。
研究人員表示，在現有新技術的基礎上，他們將在基礎研究和規模制備方面繼續探索，努力使研究結果更加貼近電池產業的現實需求。
相關論文信息：https://doi.org/10.1126/science.aav5842
(責任編輯：子蕊)
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