黑磷+石墨,这款复合材料有点酷

黑磷+石墨,这款复合材料有点酷
2020年10月18日 04:44 经济日报

原标题:黑磷+石墨,这款复合材料有点酷

通过碳磷共价键连接在一起的黑磷复合材料具备更加稳定的结构与更高的锂离子传输能力。(美术设计:董逸涵、石千惠、梁琰)

本报记者 佘惠敏

日前,中国科学技术大学季恒星教授团队在国际顶尖杂志《科学》上刊发了一项科研成果——他们在新型锂离子电池电极材料研究方面取得重大突破:全新设计的黑磷复合材料有可能制备出兼具高容量、快速充电且长寿命三大优点的锂离子电池。

季恒星介绍,如果这项技术投入使用,“我们有可能让电动汽车在10分钟左右充满电,并能行驶约500公里”。充电时间长,一直是电动汽车的短板。目前,市售最先进电动汽车需要“坐等”充电一小时才能行驶约500公里。发展具有快速充电能力的大容量锂离子电池,一直是电动汽车行业的重要目标。

电极材料是决定电池性能指标的关键因素。“想提高电池充电速度,需要一款电化学反应速度很快的材料。其中一个非常重要的判断标准就是,电极材料传导电子和离子的能力是否够强。”季恒星说,研究团队希望能够发现一款既能在综合性能指标方面给行业以期待,又能适应工业化电池生产流程的电极材料。

论文第一作者金洪昌博士介绍:“能量通过锂离子与电极材料的化学反应进出电池,因此电极材料对锂离子的传导能力是决定充电速度的关键;另外,单位质量或体积的电极材料容纳锂离子的多少也是一个重要因素。”

季恒星团队发现,黑磷是一个优异的选择。首先,它的理论容量非常高,仅次于单晶硅或金属锂。其次,作为一款半导体材料,它传导电子的能力很强。第三,黑磷具有层状结构,锂离子可以在黑磷片层的层间快速传导。这些优异性质让黑磷成为一款非常有潜力、能够实现锂离子电池快充的电极材料。

黑磷是白磷的同素异形体,是极具潜力可满足快充要求的电极材料。但目前一系列研究发现,黑磷综合性能指标与预期具有一定差距。黑磷容易从层状结构边缘发生结构破坏,实测性能远低于理论预期。为此,季恒星团队采用“界面工程”策略将黑磷与石墨通过磷碳共价键连接在一起,使它的结构更加稳定,锂离子进入黑磷颗粒的过程更加容易,这样就极大提高了原本可能受限的锂离子传导。

此外,电极材料在工作过程中会被电解液逐渐分解的化学物质所包裹,部分物质会阻碍锂离子进入电极材料,就像玻璃表面的灰尘阻碍光线穿透。研究团队为此给这个复合材料穿上了一层衣服,他们用轻薄聚合物凝胶做成防尘外衣“穿”在黑磷石墨复合材料表面,使锂离子得以顺利进入。

“在这两个层面的界面优化下,这款黑磷复合材料达到了性能上的突破。”季恒星说。

“我们采用常规工艺路线与技术参数将黑磷复合材料做成电极片。实验室测量结果表明,电极片充电9分钟即可恢复约80%电量,2000次循环后仍可保持90%容量。”论文共同第一作者,中国科学院化学研究所研究员辛森介绍说,如果能实现这款材料的大规模生产,找到匹配的正极材料及其他辅助材料,优化设计后将有望获得能量密度达350瓦时/千克,并具备快充能力的锂离子电池——这意味着能够使电动汽车行驶里程接近1000千米,并将使电动汽车用户体验感上升一个台阶。

在此基础上,季恒星团队将在基础研究层面与规模制备技术方面继续探索。深入认识电极材料微观结构、理化性质与电化学反应过程等基础科学问题,同时了解产业界对核心材料的性能需求,这些是实现电池技术突破,推进消费电子、电动汽车等相关领域发展的必备条件。“实现这个愿景,仍有大量工作要做,但我们对未来充满了希望。”季恒星说。

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