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。（记者 佘惠敏）
