近日，中國科學技術大學季恆星教授研究組與合作者們，在新型鋰離子電池電極材料研究方面取得重大突破——全新設計的黑磷複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》雜誌發表。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
據季教授介紹，該研究成果是關於一款用在鋰離子電池當中的新型電極材料。大家對於鋰離子電池都不陌生，它是一款改變了人們生活方式的發明。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。但目前最好的技術，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，就需要一款電化學反應速度很快的材料。其中一個非常重要的判斷標準就是電極材料傳導電子和離子的能力是否夠強。
“我們希望能夠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。”季恆星説。
論文第一作者金洪昌博士説：“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；另一方面，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。”
黑磷複合材料性能優異
基於前人的研究，團隊研究人員發現，黑磷是個優異的選擇。首先，它的理論容量非常高，僅次於單晶硅或金屬鋰；其次，作為一款半導體材料，它傳導電子的能力很強；再次，黑磷具有層狀結構，鋰離子可以在黑磷片層的層間快速傳導。這三方面的優異性質，讓黑磷成為一款非常有潛力的、能夠實現鋰離子電池快充的電極材料。
理想很豐滿，但現實比較骨感。目前經一系列的研究發現，黑磷的綜合性能指標跟預期仍有一定的差距。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，使它的結構更加穩定、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；另一方面，他們給這個複合材料穿上了一層“衣服”，讓電極在周圍充滿電解液的環境下，界面更穩定，更適合鋰離子的進入。經過如此優化，這款黑磷複合材料有了性能上的突破。
有望實現10分鐘充滿電
“ 我們採用常規的工藝路線和技術參數將黑磷複合材料做成電極片，經實驗測量，這種電極片充電9 分鐘即可恢復約80%的電量，2000 次循環後仍可保持90%的容量。”論文共同第一作者、中國科學院化學研究所的辛森研究員説：“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，並針對電芯結構、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350 瓦時/千克並具備快充能力的鋰離子電池。”
據悉，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 滿電後的行駛里程約為650 千米。同時，快速充電能力也會讓電動汽車的用户體驗上升一個台階。
“在綜合考慮壓實密度、面負載量等工業界比較關心的一系列技術指標的前提下，我們有可能讓電動汽車在10 分鐘左右的時間內充滿電，並能行駛約500 公里。”季恆星教授表示，帶着這樣的一個願景，科研團隊還有大量的工作要做，尤其是在基礎研究層面和規模化製備技術方面，他們對未來充滿希望。
在新技術的基礎上，該團隊將在基礎研究層面和規模化製備技術方面繼續探索。季教授説：“我們將在現有基礎上繼續努力，使論文中的研究成果更加貼近電池產業的要求。”
範瓊 李曉曦 趙小娜 胡冬寅 新安晚報 安徽網 大皖客户端 記者陳牧