中美科學(xué)家研制出可快速充電的鋰離子電池材料

新華社合肥10月9日電(記者徐海濤)充電速度慢、續(xù)航里程短,是當(dāng)前制約電動(dòng)汽車發(fā)展的主要因素之一。近期,中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)季恒星教授研究組與美國加州大學(xué)洛杉磯分校、中國科學(xué)院化學(xué)研究所等機(jī)構(gòu)合作,研制出一種新型黑磷復(fù)合材料,充電9分鐘即可恢復(fù)約80%的電量,使兼具快速充電、高電荷容量、長(zhǎng)壽命優(yōu)點(diǎn)的鋰離子電池成為可能。10月9日,國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》發(fā)表了這項(xiàng)成果。

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(qiáng)的離子傳導(dǎo)能力和理論上很高的電荷容量,是極具潛力的“快充”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(shí)測(cè)性能遠(yuǎn)低于理論預(yù)期。近期,季恒星團(tuán)隊(duì)采用“界面工程”策略將黑磷和石墨通過磷碳共價(jià)鍵連接在一起,在穩(wěn)定材料結(jié)構(gòu)的同時(shí),提升了黑磷石墨復(fù)合材料內(nèi)部對(duì)鋰離子的傳導(dǎo)能力。

但是,電極材料在工作過程中會(huì)被電解液分解的化學(xué)物質(zhì)所包裹,部分物質(zhì)阻礙鋰離子進(jìn)入電極材料,如同玻璃表面的灰塵阻礙光線穿透。聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)用輕薄的聚合物凝膠做成防塵外衣,“穿”在黑磷石墨復(fù)合材料的表面,使鋰離子可以順利進(jìn)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(shí)驗(yàn)室測(cè)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%的電荷容量。”中科院化學(xué)所研究員辛森介紹,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)每千克350瓦時(shí)并具備快速充電能力的鋰離子電池。

據(jù)了解,具備每千克350瓦時(shí)能量密度的鋰離子電池,能使電動(dòng)汽車的行駛里程接近1000公里。結(jié)合快速充電能力,將使電動(dòng)汽車的用戶體驗(yàn)大幅提升。

“我們希望能發(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。”季恒星教授說,他的團(tuán)隊(duì)將進(jìn)一步深入認(rèn)識(shí)這款新材料的微觀結(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,了解產(chǎn)業(yè)界對(duì)電池材料的性能需求,推進(jìn)新材料在電動(dòng)汽車、消費(fèi)電子等行業(yè)的應(yīng)用發(fā)展。