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。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Science。

消费电子、电动汽车、分布式储能等产业的快速发展对锂离子电池综合性能提出了越来越高的要求。例如：传统燃油汽车仅需五分钟即可满油增程500公里，而目前市售最先进的电动汽车则需要充电一小时才能达到同样的增程效果，虽然电动汽车愈发受到市场青睐，但漫长的充电时间也让人望而却步。发展具有高能量密度、高功率密度、长循环寿命的锂离子电池已成为电化学能源领域的重要方向。

电极材料是决定电池性能指标的关键因素之一。“我们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。”季恒星教授说。

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；另一方面，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。“

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（图1）。

图1.黑磷复合负极材料结构和储锂性能（原图摘自论文并由课题组提供）

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。

“我们采用常规的工艺路线和技术参数将黑磷复合材料做成电极片。实验室的测量结果表明，电极片充电9分钟即可恢复约80%的电量，2000次循环后仍可保持90%的容量。”共同第一作者，中国科学院化学研究所的辛森研究员介绍说，”如果能够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，并针对电芯结构、热管理和析锂防护等进行优化设计，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。”

具备能量密度350瓦时/千克的锂离子电池能够使电动汽车的行驶里程接近1000千米，而特斯拉Model S满电后的行驶里程为650千米。而快速充电能力将使电动汽车的用户体验上升一个台阶。

在新技术的基础上，团队将在基础研究层面和规模制备技术方面继续探索。“深入认识电极材料的微观结构、理化性质和电化学反应过程等基础科学问题，掌握以界面工程为例的化学手段，同时了解产业界对核心材料的性能需求是实现电池技术突破，推进相关领域如消费电子、电动汽车行业发展的必备条件。”季教授说道，“我们将在现有基础上持续努力，使论文中的研究结果更加贴近电池产业的要求。”

本工作对优选电极材料体系并通过界面设计挖掘电极性能潜力具有重要的借鉴，以期推动锂离子电池的包括能量密度、功率密度和循环寿命在内的综合性能指标的进步。论文第一作者是合肥微尺度物质科学国家研究中心的博士研究生金洪昌。该研究工作得到了科技部、国家自然科学基金委、安徽省等的支持。

论文链接：https://science.sciencemag.org/cgi/doi/10.1126/science.aav5842