黑磷+石墨，這款複合材料有點酷

本文轉自【經濟日報】；

電動汽車使用該材料充電10分鐘，可行駛500公里

日前，中國科學技術大學季恆星教授團隊在國際頂尖雜誌《科學》上刊發了一項科研成果——他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有可能製備出兼具高容量、快速充電且長壽命三大優點的鋰離子電池。

季恆星介紹，如果這項技術投入使用，“我們有可能讓電動汽車在10分鐘左右充滿電，並能行駛約500公里”。充電時間長，一直是電動汽車的短板。目前，市售最先進電動汽車需要“坐等”充電一小時才能行駛約500公里。發展具有快速充電能力的大容量鋰離子電池，一直是電動汽車行業的重要目標。

電極材料是決定電池性能指標的關鍵因素。“想提高電池充電速度，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。”季恆星説，研究團隊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。

論文第一作者金洪昌博士介紹：“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；另外，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。”

季恆星團隊發現，黑磷是一個優異的選擇。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。第三，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。這些優異性質讓黑磷成為一款非常有潛力、能夠實現鋰離子電池快充的電極材料。

黑磷是白磷的同素異形體，是極具潛力可滿足快充要求的電極材料。但目前一系列研究發現，黑磷綜合性能指標與預期具有一定差距。黑磷容易從層狀結構邊緣發生結構破壞，實測性能遠低於理論預期。為此，季恆星團隊採用“界面工程”策略將黑磷與石墨通過磷碳共價鍵連接在一起，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，這樣就極大提高了原本可能受限的鋰離子傳導。

此外，電極材料在工作過程中會被電解液逐漸分解的化學物質所包裹，部分物質會阻礙鋰離子進入電極材料，就像玻璃表面的灰塵阻礙光線穿透。研究團隊為此給這個複合材料穿上了一層衣服，他們用輕薄聚合物凝膠做成防塵外衣“穿”在黑磷石墨複合材料表面，使鋰離子得以順利進入。

“在這兩個層面的界面優化下，這款黑磷複合材料達到了性能上的突破。”季恆星説。

“我們採用常規工藝路線與技術參數將黑磷複合材料做成電極片。實驗室測量結果表明，電極片充電9分鐘即可恢復約80%電量，2000次循環後仍可保持90%容量。”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説，如果能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，優化設計後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——這意味着能夠使電動汽車行駛里程接近1000千米，並將使電動汽車用户體驗感上升一個台階。

在此基礎上，季恆星團隊將在基礎研究層面與規模製備技術方面繼續探索。深入認識電極材料微觀結構、理化性質與電化學反應過程等基礎科學問題，同時瞭解產業界對核心材料的性能需求，這些是實現電池技術突破，推進消費電子、電動汽車等相關領域發展的必備條件。“實現這個願景，仍有大量工作要做，但我們對未來充滿了希望。”季恆星説。