楠木軒

黑磷+石墨,這款複合材料有點酷

由 務高林 釋出於 財經

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效能指標的關鍵因素。“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。”季恆星說,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:“能量透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,僅次於單晶矽或金屬鋰。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,實測效能遠低於理論預期。為此,季恆星團隊採用“介面工程”策略將黑磷與石墨透過磷碳共價鍵連線在一起,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。

“在這兩個層面的介面最佳化下,這款黑磷複合材料達到了效能上的突破。”季恆星說。

“我們採用常規工藝路線與技術引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次迴圈後仍可保持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說,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,最佳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——這意味著能夠使電動汽車行駛里程接近1000千米,並將使電動汽車使用者體驗感上升一個臺階。

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效能需求,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。”季恆星說。