充电速度慢、续航里程短，是当前制约电动汽车发展的主要因素之一。近期，中国科学技术大学季恒星教授研究组与美国加州大学洛杉矶分校、中国科学院化学研究所等机构合作，研制出一种新型黑磷复合材料，充电9分钟即可恢复约80%的电量，使兼具快速充电、高电荷容量、长寿命优点的锂离子电池成为可能。
10月9日，国际权威学术期刊《科学》发表了这项成果。
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
黑磷是白磷的同素异形体，特殊的层状结构赋予它很强的离子传导能力和理论上很高的电荷容量，是极具潜力的“快充”电极材料。然而，黑磷容易从层状结构的边缘开始发生结构破坏，实测性能远低于理论预期。近期，季恒星团队采用“界面工程”策略将黑磷和石墨通过磷碳共价键连接在一起，在稳定材料结构的同时，提升了黑磷石墨复合材料内部对锂离子的传导能力。
但是，电极材料在工作过程中会被电解液分解的化学物质所包裹，部分物质阻碍锂离子进入电极材料，如同玻璃表面的灰尘阻碍光线穿透。联合研究团队用轻薄的聚合物凝胶做成防尘外衣，“穿”在黑磷石墨复合材料的表面，使锂离子可以顺利进入。
“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%的电荷容量。”中科院化学所研究员辛森介绍，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每千克350瓦时并具备快速充电能力的锂离子电池。
据了解，具备每千克350瓦时能量密度的锂离子电池，能使电动汽车的行驶里程接近1000公里。结合快速充电能力，将使电动汽车的用户体验大幅提升。
“我们希望能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，他的团队将进一步深入认识这款新材料的微观结构、理化性质和电化学反应过程等基础科学问题，了解产业界对电池材料的性能需求，推进新材料在电动汽车、消费电子等行业的应用发展。