黑磷+石墨,这款复合材料有点酷

晶科能源将100%使用可再生能源

电动汽车使用该材料充电10分钟,可行驶500公里

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。”

我国二〇六〇年实现碳中和减排将远超发达国家

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。

北京交大研发储能新技术 可使北京地铁一年节电1亿度

原创文章,作者:admin,如若转载,请注明出处:https://www.2lxm.com/archives/36561.html