中美科学家研制出可快速充电的锂离子电池材料

10月9日消息 从中国科学技术大学获悉，中国科大合肥微尺度物质科学国家研究中心和化学与材料科学学院中科院能量转换材料重点实验室季恒星教授联合美国加州大学洛杉矶分校段镶锋教授等在锂离子电池领域取得重要进展。

IT之家了解到，研究成果以 “Black Phosphorus Composites with Engineered Interfaces for High-Rate High-Capacity Lithium Storage”为题，于2020年10月9日发表在国际著名学术期刊《科学》杂志(Science2020,370, 192–197)。

中国科学技术大学表示，决定锂离子电池功率密度的关键之一在于负极材料的倍率性能。季恒星课题组近年来的研究发现：黑磷用作碱金属离子电池负极具有极高的质量容量(Angew. Chem. Int. Ed.2020,59, 2318;ACS Appl. Mater. Inter.2019,11, 16656)，且黑磷的层状结构和半导体性质也预示黑磷应具有极高的倍率性能。但是深入研究发现黑磷容易从二维片层的边缘开始发生结构的破坏(J. Am. Chem. Soc.2018,140, 7561)，通过化学修饰可以稳定黑磷的边界结构并伴随着相关物理性质的重现(Angew. Chem. Int. Ed.2019,58, 1479;Adv. Mater.2017,29, 1605776)。受这些研究结果启发，季恒星等采用高能球磨的办法获得了黑磷纳米片与石墨纳米片并肩平行排列且通过碳 - 磷共价键连接的复合材料，使锂离子能够在复合材料内高效穿梭;更进一步通过聚苯胺包覆优化固态电解质界面膜，使锂离子能够快速进入复合材料。

▲ 黑磷复合负极材料结构和储锂性能 图源：中国科学技术大学

据介绍，复合材料在压实密度达到1.49 g/cm-3的条件下可在13 A/g 的电流密度下实现近500 mAh/g(复合材料)的可逆质量容量，并稳定循环达2000次。电化学原位 X - 射线吸收谱和飞行时间二次离子质谱测试结果分别表明：碳 - 磷共价键的形成是提高黑磷电化学反应能力的关键;聚苯胺经电解液溶剂溶胀形成富含有机组分的固态电解质界面膜，是提高锂离子进入复合材料颗粒能力的关键。