近日，我國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)季恒星教授研究組與合作者在《科學(xué)》雜志發(fā)表重大突破成果，使用全新設(shè)計(jì)的黑磷復(fù)合材料，令兼具高容量、快速充電且長(zhǎng)壽命的鋰離子電池成為可能，有望解決電動(dòng)汽車充電時(shí)間較長(zhǎng)的難題。

神奇黑磷如何為鋰離子電池“賦能”

鋰離子電池，已然成為現(xiàn)代人生活中的重要組成部分，它較高的能量密度，讓手機(jī)、平板電腦等小型電子設(shè)備步入了千家萬戶。2019年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)表彰的三位科學(xué)家，正是為鋰離子電池發(fā)展做出了杰出貢獻(xiàn)。

從1991年商業(yè)化至今，鋰離子電池的主流正負(fù)極材料沒有太大改變——當(dāng)前最常見的鋰離子電池中，正極為鈷酸鋰材料，負(fù)極是碳材料。而中科大此次引發(fā)關(guān)注的科研成果，正是將黑磷這種新材料添加到鋰離子電池負(fù)極中。“這應(yīng)該是目前世界上獨(dú)一無二的一項(xiàng)研究，絕對(duì)是國(guó)內(nèi)鋰離子電池研究的重大突破。”研究鋰離子電池?zé)峁芾矸较虻纳虾＠砉ご髮W(xué)盛雷博士評(píng)價(jià)道：

黑磷是白磷在高溫和高壓強(qiáng)下轉(zhuǎn)化形成的黑色有金屬光澤的晶體，在磷的同素異形體中反應(yīng)活性最弱，不會(huì)在空氣中自燃。將黑磷添加到鋰離子電池負(fù)極中，能夠新增電池負(fù)極材料的波譜性，聚集更多鋰原子，新增電池容量，也能使鋰離子更好地在正負(fù)極之間穿梭，增大電子的穿梭效率。

盛雷介紹，十年前我國(guó)的鋰離子電池研發(fā)處于艱難的“跟跑”狀態(tài)，但如今，我國(guó)在鋰離子電池的研發(fā)方面已處于世界領(lǐng)先地位，超越國(guó)際上許多發(fā)達(dá)國(guó)家?，F(xiàn)如今，歐洲多國(guó)電動(dòng)汽車生產(chǎn)公司都向我國(guó)定制鋰離子電池，比如國(guó)產(chǎn)的三元鋰離子電池和磷酸亞鐵鋰離子電池等。在鋰離子電池快充方面，去年美國(guó)也公布了一項(xiàng)前沿研究成果，在電池負(fù)極添加石墨烯以增強(qiáng)電池的充放電性能；但目前我國(guó)中科大通過在電池負(fù)極添加黑磷元素可起到同樣的電池性能增強(qiáng)效果，在經(jīng)濟(jì)性方面，我國(guó)的研究相對(duì)卓越。

充電速度仍是我國(guó)鋰離子電池研發(fā)短板

充電快，是人們對(duì)鋰離子電池的一大期待，但并不是唯一期待。當(dāng)前電動(dòng)汽車鋰離子電池的研究方向，重要著重于以下幾點(diǎn)：能量密度、功率密度、充電速度和安全性。“能量密度決定車能跑多遠(yuǎn)，功率密度決定車能跑多快，當(dāng)然安全是前提?！笔⒗妆硎?，充電速度仍是國(guó)內(nèi)鋰離子電池研究的短板。

無論是美國(guó)的石墨烯鋰離子電池，還是我國(guó)科技大學(xué)、浙江大學(xué)研發(fā)的新型鋰離子電池，都在理論上有望10分鐘甚至在10秒內(nèi)充滿電。然而實(shí)驗(yàn)室里可以實(shí)現(xiàn)的充電速度，放到汽車上還能不能成真，要更多研究或許才能實(shí)現(xiàn)。上文提到的三元鋰離子電池，從實(shí)驗(yàn)室到大規(guī)模公司生產(chǎn)，耗費(fèi)了十余年時(shí)間。此外，配套設(shè)施是否跟得上也是一個(gè)問題，假如以不低于5倍率的電流給鋰離子電池充電，那么單根充電線可能要承載近千安培的電流，這時(shí)若十余輛電動(dòng)汽車同時(shí)充電，則總輸電線的粗細(xì)可能要接近電線桿那么粗。

當(dāng)前，我國(guó)期望在2025年之前將鋰離子電池單體的能量密度提升至500wh/kg，現(xiàn)在電池單體的能量密度剛超過300wh/kg，距目標(biāo)還有很長(zhǎng)一段距離；即使500wh/kg的能量密度目標(biāo)實(shí)現(xiàn)，那么還存在許多電池的熱安全問題。比如現(xiàn)在將三元鋰離子電池中鎳、鈷、錳三種材料的比例從之前的5：3：2改變?yōu)?：1：1，雖能量密度可得到大幅度提升，但同時(shí)使電池的安全性降低很多。最后，盛雷補(bǔ)充：總而言之，中科大研制的新型鋰離子電池可實(shí)現(xiàn)良好的快充功能，但是在該型電池的功率密度和熱安全性方面還沒有詳細(xì)的報(bào)道，期望中科大研究人員可及時(shí)地持續(xù)地報(bào)道該電池的后續(xù)研究成果。

欄目主編：黃海華

本文作者：侍佳妮