中國科大在新型鋰電池電極材料研究方面取得重大突破

中國科大在新型鋰電池電極材料研究方面取得重大突破

來源：央廣網(wǎng) 2020年10月09日 16:24

央廣網(wǎng)合肥10月9日消息（記者劉軍）記者9日從中國科大獲悉，該校季恒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(shè)計的黑磷復(fù)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。該成果于北京時間10月9日在《Science》雜志上發(fā)表。

據(jù)了解，電動汽車愈發(fā)受到市場青睞，但漫長的充電時間也讓人望而卻步。傳統(tǒng)燃油汽車僅需五分鐘即可滿油增程500公里，而目前市售最先進的電動汽車則需要“坐等”充電一小時才能達到同樣的增程效果。發(fā)展具有快速充電能力的大容量鋰離子電池一直是該行業(yè)的重要目標。

電極材料是決定電池性能指標的關(guān)鍵因素之一。“我們希望能夠發(fā)現(xiàn)一款既能在綜合性能指標方面給行業(yè)以期待，又能適應(yīng)工業(yè)化電池生產(chǎn)流程的電極材料?！奔竞阈墙淌谡f。

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(xué)反應(yīng)進出電池，因此電極材料對鋰離子的傳導(dǎo)能力是決定充電速度的關(guān)鍵；另一方面，單位質(zhì)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?！?/span>

據(jù)介紹，黑磷是白磷的同素異形體，特殊的層狀結(jié)構(gòu)賦予它很強的離子傳導(dǎo)能力和高理論容量，是極具潛力的滿足快充要求的電極材料。然而黑磷容易從層狀結(jié)構(gòu)的邊緣開始發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞，實測性能遠低于理論預(yù)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一起，在穩(wěn)定材料結(jié)構(gòu)的同時提升了黑磷石墨復(fù)合材料內(nèi)部對鋰離子的傳導(dǎo)能力。

但電極材料在工作過程中會被電解液逐漸分解的化學(xué)物質(zhì)所包裹，部分物質(zhì)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。研究團隊用輕薄的聚合物凝膠做成防塵外衣“穿”在黑磷石墨復(fù)合材料表面，使鋰離子得以順利進入。

“我們采用常規(guī)的工藝路線和技術(shù)參數(shù)將黑磷復(fù)合材料做成電極片。實驗室的測量結(jié)果表明，電極片充電9分鐘即可恢復(fù)約80%的電量，2000次循環(huán)后仍可保持90%的容量?！惫餐谝蛔髡?，中國科學(xué)院化學(xué)研究所的辛森研究員介紹說，”如果能夠?qū)崿F(xiàn)這款材料的大規(guī)模生產(chǎn)，找到匹配的正極材料及其他輔助材料，并針對電芯結(jié)構(gòu)、熱管理和析鋰防護等進行優(yōu)化設(shè)計，將有望獲得能量密度達350瓦時/千克并具備快充能力的鋰離子電池。”

據(jù)悉，具備能量密度350瓦時/千克的鋰離子電池能夠使電動汽車的行駛里程接近1000千米，而特斯拉Model S滿電后的行駛里程為650千米。而快速充電能力將使電動汽車的用戶體驗上升一個臺階。