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中國科大合肥微尺度物質科學國家研究中心和化學與材料科學學院中科院能量轉換材料重點實驗室季恒星教授聯合美國加州大學洛杉磯分校段鑲鋒教授等在鋰離子電池領域取得重要進展。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日發表在國際著名學術期刊Science。

消費電子、電動汽車、分布式儲能等產業的快速發展對鋰離子電池綜合性能提出了越來越高的要求。例如：傳統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充電一小時才能達到同樣的增程效果，雖然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。發展具有高能量密度、高功率密度、長循環壽命的鋰離子電池已成為電化學能源領域的重要方向。

電極材料是決定電池性能指標的關鍵因素之一。“我們希望能夠發現一款既能在綜合性能指標方面給行業以期待，又能適應工業化電池生產流程的電極材料。”季恒星教授說。

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。“

決定鋰離子電池功率密度的關鍵之一在于負極材料的倍率性能。季恒星課題組近年來的研究發現：黑磷用作堿金屬離子電池負極具有極高的質量容量（Angew. Chem. Int. Ed.2020,59, 2318；ACS Appl. Mater. Inter.2019,11, 16656），且黑磷的層狀結構和半導體性質也預示黑磷應具有極高的倍率性能。但是深入研究發現黑磷容易從二維片層的邊緣開始發生結構的破壞（J. Am. Chem. Soc.2018,140, 7561），通過化學修飾可以穩定黑磷的邊界結構并伴隨著相關物理性質的重現（Angew. Chem. Int. Ed.2019,58, 1479；Adv. Mater.2017,29, 1605776）。受這些研究結果啟發，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-磷共價鍵連接的復合材料，使鋰離子能夠在復合材料內高效穿梭；更進一步通過聚苯胺包覆優化固態電解質界面膜，使鋰離子能夠快速進入復合材料（圖1）。

圖1.黑磷復合負極材料結構和儲鋰性能（原圖摘自論文并由課題組提供）

復合材料在壓實密度達到1.49 g/cm^-3的條件下可在13 A/g的電流密度下實現近500 mAh/g（復合材料）的可逆質量容量，并穩定循環達2000次。電化學原位X-射線吸收譜和飛行時間二次離子質譜測試結果分別表明：碳-磷共價鍵的形成是提高黑磷電化學反應能力的關鍵；聚苯胺經電解液溶劑溶脹形成富含有機組分的固態電解質界面膜，是提高鋰離子進入復合材料顆粒能力的關鍵。

“我們采用常規的工藝路線和技術參數將黑磷復合材料做成電極片。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次循環后仍可保持90%的容量。”共同第一作者，中國科學院化學研究所的辛森研究員介紹說，”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，并針對電芯結構、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/千克并具備快充能力的鋰離子電池。”

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。

在新技術的基礎上，團隊將在基礎研究層面和規模制備技術方面繼續探索。“深入認識電極材料的微觀結構、理化性質和電化學反應過程等基礎科學問題，掌握以界面工程為例的化學手段，同時了解產業界對核心材料的性能需求是實現電池技術突破，推進相關領域如消費電子、電動汽車行業發展的必備條件。”季教授說道，“我們將在現有基礎上持續努力，使論文中的研究結果更加貼近電池產業的要求。”

本工作對優選電極材料體系并通過界面設計挖掘電極性能潛力具有重要的借鑒，以期推動鋰離子電池的包括能量密度、功率密度和循環壽命在內的綜合性能指標的進步。論文第一作者是合肥微尺度物質科學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、國家自然科學基金委、安徽省等的支持。

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