新材料讓鋰離子電池9分鐘充電80%

本報記者 吳長鋒

記者10月14日獲悉，中國科學技術大學季恆星教授研究組與美國加州大學洛杉磯分校、中國科學院化學研究所等機構合作，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使鋰離子電池兼具高容量、快速充電且長壽命成為可能。這項成果發表在《科學》雜誌上。

如今電動汽車愈發受到市場青睞，但漫長的充電時間也讓人望而卻步。傳統燃油汽車僅需5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。中國科學技術大學的這項最新研究突破使人類距離該目標更近了一步。

論文第一作者金洪昌博士介紹：“在鋰離子電池中，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；另一方面，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。”

黑磷是白磷的同素異形體，特殊的層狀結構賦予了它很強的離子傳導能力和高理論容量，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構的邊緣開始發生結構破壞，實測性能遠低於理論預期。

為此，季恆星團隊採用“界面工程”策略將黑磷和石墨通過磷碳共價鍵連接在一起，在穩定材料結構的同時提升了黑磷石墨複合材料內部對鋰離子的傳導能力。針對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一樣。研究團隊用輕薄的聚合物凝膠做成防塵外衣“穿”在黑磷石墨複合材料表面，使鋰離子得以順利進入。

“我們採用常規的工藝路線和技術參數將黑磷複合材料做成電極片。實驗室的測量結果表明，電極片充電9分鐘即可恢復約80%的電量，2000次循環後仍可保持90%的容量。”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，“如果能夠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，並針對電芯結構、熱管理和析鋰防護等進行優化設計，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。”

這樣的鋰離子電池能夠使電動汽車的行駛里程接近1000公里，而特斯拉Model S滿電後的行駛里程為650公里。快速充電能力將使電動汽車的用户體驗上升一個台階。