黑磷+石墨，這款複合材料有點酷
2020-10-09 經點科學北京時間10月9日凌晨，中國科學技術大學季恆星教授團隊的一項科研成果在國際頂尖雜誌《科學》（Science）上刊發。季恆星教授研究組與合作者們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兼具高容量、快速充電且長壽命的鋰離子電池成為可能。
季恆星介紹，如果這項技術投入實用，「我們有可能讓電動汽車在10分鐘左右的時間內充滿電，並能行駛約500公裡。」
尋找更好的電極材料
當前，電動汽車受到市場青睞，但漫長的充電時間也成為它的短板。傳統燃油汽車僅需五分鐘即可滿油增程500公裡，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。
電極材料是決定電池性能指標的關鍵因素之一。「如果想提高電池充電的速度，就需要一款充電的電化學反應速度很快的材料。其中一個非常重要的判斷標準，就是電極材料傳導電子和離子的能力是否夠強。」季恆星說，研究團隊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。
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。」
基於前人的研究，研究團隊發現，黑磷是一個優異的選擇。首先，它的理論容量非常高，僅次於單晶矽或金屬鋰。第二，作為一款半導體材料，它傳導電子的能力很強。第三，黑磷具有層狀結構，鋰離子可以在黑磷片層的層間快速傳導。這三方面的優異性質，讓黑磷成為一款非常有潛力的、能夠實現鋰離子電池快充的電極材料。
黑磷是白磷的同素異形體，特殊的層狀結構賦予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。但理想很豐滿，現實比較骨感。目前一系列的研究報導發現，黑磷的綜合性能指標跟預期有一定的差距。
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。為解決這個問題，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，使它的結構更加穩定，鋰離子進入黑磷顆粒的過程更加容易，這樣就極大地提高了原本可能受限的鋰離子傳導。
此外，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。研究團隊就給這個複合材料穿上了一層衣服，他們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。
「在這兩個層面的界面優化下，這款黑磷複合材料達到了性能上的突破。」季恆星說。
優異的性能，燦爛的前景
新材料的性能突破到什麼程度？
「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。」論文的共同第一作者，中國科學院化學研究所研究員辛森介紹說，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，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。
通過碳磷共價鍵連接在一起的黑磷複合材料具備更加穩定的結構和更高的鋰離子傳輸能力。
美術設計：石千惠，董逸涵，梁琰
中國科大新文科基金支持
這意味著什麼？
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裡程接近1000千米，而特斯拉Model S滿電後的行駛裡程為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製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，這些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。
季恆星說：「帶著這樣一個願景，我們還有大量的工作要做，尤其是在基礎研究層面和規模化製備技術方面。但是我們對未來充滿了希望！」
經濟日報經點科學工作室
記者：佘惠敏
文中圖片由中國科學技術大學提供
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