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中國科大合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心和化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院中科院能量轉(zhuǎn)換材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室季恒星教授聯(lián)合美國加州大學(xué)洛杉磯分校段鑲鋒教授等在鋰離子電池領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。研究成果以“Black Phosphorus Composites with Engineered Interfaces for High-Rate High-Capacity Lithium Storage”為題，于2020年10月9日發(fā)表在國際著名學(xué)術(shù)期刊Science。

消費(fèi)電子、電動(dòng)汽車、分布式儲(chǔ)能等產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展對(duì)鋰離子電池綜合性能提出了越來越高的要求。例如：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(jìn)的電動(dòng)汽車則需要充電一小時(shí)才能達(dá)到同樣的增程效果，雖然電動(dòng)汽車愈發(fā)受到市場青睞，但漫長的充電時(shí)間也讓人望而卻步。發(fā)展具有高能量密度、高功率密度、長循環(huán)壽命的鋰離子電池已成為電化學(xué)能源領(lǐng)域的重要方向。

電極材料是決定電池性能指標(biāo)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(biāo)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(jìn)出電池，因此電極材料對(duì)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(gè)重要因素?！?/p>

決定鋰離子電池功率密度的關(guān)鍵之一在于負(fù)極材料的倍率性能。季恒星課題組近年來的研究發(fā)現(xiàn)：黑磷用作堿金屬離子電池負(fù)極具有極高的質(zhì)量容量（Angew. Chem. Int. Ed.2020,59, 2318；ACS Appl. Mater. Inter.2019,11, 16656），且黑磷的層狀結(jié)構(gòu)和半導(dǎo)體性質(zhì)也預(yù)示黑磷應(yīng)具有極高的倍率性能。但是深入研究發(fā)現(xiàn)黑磷容易從二維片層的邊緣開始發(fā)生結(jié)構(gòu)的破壞（J. Am. Chem. Soc.2018,140, 7561），通過化學(xué)修飾可以穩(wěn)定黑磷的邊界結(jié)構(gòu)并伴隨著相關(guān)物理性質(zhì)的重現(xiàn)（Angew. Chem. Int. Ed.2019,58, 1479；Adv. Mater.2017,29, 1605776）。受這些研究結(jié)果啟發(fā)，季恒星等采用高能球磨的辦法獲得了黑磷納米片與石墨納米片并肩平行排列且通過碳-磷共價(jià)鍵連接的復(fù)合材料，使鋰離子能夠在復(fù)合材料內(nèi)高效穿梭；更進(jìn)一步通過聚苯胺包覆優(yōu)化固態(tài)電解質(zhì)界面膜，使鋰離子能夠快速進(jìn)入復(fù)合材料（圖1）。

圖1.黑磷復(fù)合負(fù)極材料結(jié)構(gòu)和儲(chǔ)鋰性能（原圖摘自論文并由課題組提供）

復(fù)合材料在壓實(shí)密度達(dá)到1.49 g/cm^-3的條件下可在13 A/g的電流密度下實(shí)現(xiàn)近500 mAh/g（復(fù)合材料）的可逆質(zhì)量容量，并穩(wěn)定循環(huán)達(dá)2000次。電化學(xué)原位X-射線吸收譜和飛行時(shí)間二次離子質(zhì)譜測試結(jié)果分別表明：碳-磷共價(jià)鍵的形成是提高黑磷電化學(xué)反應(yīng)能力的關(guān)鍵；聚苯胺經(jīng)電解液溶劑溶脹形成富含有機(jī)組分的固態(tài)電解質(zhì)界面膜，是提高鋰離子進(jìn)入復(fù)合材料顆粒能力的關(guān)鍵。

“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(shí)驗(yàn)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。”共同第一作者，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(duì)電芯結(jié)構(gòu)、熱管理和析鋰防護(hù)等進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，將有望獲得能量密度達(dá)350瓦時(shí)/千克并具備快充能力的鋰離子電池?！?/p>

具備能量密度350瓦時(shí)/千克的鋰離子電池能夠使電動(dòng)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(dòng)汽車的用戶體驗(yàn)上升一個(gè)臺(tái)階。

在新技術(shù)的基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)將在基礎(chǔ)研究層面和規(guī)模制備技術(shù)方面繼續(xù)探索?！吧钊胝J(rèn)識(shí)電極材料的微觀結(jié)構(gòu)、理化性質(zhì)和電化學(xué)反應(yīng)過程等基礎(chǔ)科學(xué)問題，掌握以界面工程為例的化學(xué)手段，同時(shí)了解產(chǎn)業(yè)界對(duì)核心材料的性能需求是實(shí)現(xiàn)電池技術(shù)突破，推進(jìn)相關(guān)領(lǐng)域如消費(fèi)電子、電動(dòng)汽車行業(yè)發(fā)展的必備條件?！奔窘淌谡f道，“我們將在現(xiàn)有基礎(chǔ)上持續(xù)努力，使論文中的研究結(jié)果更加貼近電池產(chǎn)業(yè)的要求?！?/p>

本工作對(duì)優(yōu)選電極材料體系并通過界面設(shè)計(jì)挖掘電極性能潛力具有重要的借鑒，以期推動(dòng)鋰離子電池的包括能量密度、功率密度和循環(huán)壽命在內(nèi)的綜合性能指標(biāo)的進(jìn)步。論文第一作者是合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心的博士研究生金洪昌。該研究工作得到了科技部、國家自然科學(xué)基金委、安徽省等的支持。

論文鏈接：https://science.sciencemag.org/cgi/doi/10.1126/science.aav5842