近日，中國科學技術大學季恒星教授研究組與合作者在《科學》雜志發(fā)表重大突破成果，使用全新設計的黑磷復合材料，令兼具高容量、快速充電且長壽命的鋰離子電池成為可能，有望解決電動汽車充電時間較長的難題。
神奇黑磷如何為鋰電池“賦能”
鋰電池，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、平板電腦等小型電子設備步入了千家萬戶。2019年諾貝爾化學獎表彰的三位科學家，正是為鋰電池發(fā)展做出了杰出貢獻。
從1991年商業(yè)化至今，鋰電池的主流正負極材料沒有太大改變——當前最常見的鋰電池中，正極為鈷酸鋰材料，負極是碳材料。而中科大此次引發(fā)關注的科研成果，正是將黑磷這種新材料添加到鋰電池負極中?！斑@應該是目前世界上獨一無二的一項研究，絕對是國內鋰電池研究的重大突破。”研究鋰電池熱管理方向的上海理工大學盛雷博士評價道：
黑磷是白磷在高溫和高壓強下轉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活性最弱，不會在空氣中自燃。將黑磷添加到鋰電池負極中，能夠增加電池負極材料的波譜性，聚集更多鋰原子，增加電池容量，也能使鋰離子更好地在正負極之間穿梭，增大電子的穿梭效率。
盛雷介紹，十年前中國的鋰電池研發(fā)處于艱難的“跟跑”狀態(tài)，但如今，我國在鋰離子電池的研發(fā)方面已處于世界領先地位，超越國際上許多發(fā)達國家?，F(xiàn)如今，歐洲多國電動汽車生產企業(yè)都向中國定制鋰離子電池，比如國產的三元鋰電池和磷酸亞鐵鋰電池等。在鋰離子電池快充方面，去年美國也發(fā)布了一項前沿研究成果，在電池負極添加石墨烯以增強電池的充放電性能；但目前我國中科大通過在電池負極添加黑磷元素可起到同樣的電池性能增強效果，在經濟性方面，我國的研究相對卓越。
充電速度仍是中國鋰電池研發(fā)短板
充電快，是人們對鋰電池的一大期待，但并不是唯一期待。當前電動汽車鋰電池的研究方向，主要著重于以下幾點：能量密度、功率密度、充電速度和安全性?！澳芰棵芏葲Q定車能跑多遠，功率密度決定車能跑多快，當然安全是前提?！笔⒗妆硎?，充電速度仍是國內鋰電池研究的短板。
無論是美國的石墨烯鋰電池，還是中國科技大學、浙江大學研發(fā)的新型鋰電池，都在理論上有望10分鐘甚至在10秒內充滿電。然而實驗室里可以實現(xiàn)的充電速度，放到汽車上還能不能成真，需要更多研究或許才能實現(xiàn)。上文提到的三元鋰電池，從實驗室到大規(guī)模企業(yè)生產，耗費了十余年時間。此外，配套設施是否跟得上也是一個問題，如果以不低于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，這時若十余輛電動汽車同時充電，則總輸電線的粗細可能要接近電線桿那么粗。
當前，我國期望在2025年之前將鋰離子電池單體的能量密度提升至500 wh/kg，現(xiàn)在電池單體的能量密度剛超過300 wh/kg，距目標還有很長一段距離；即使500 wh/kg的能量密度目標實現(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，但同時使電池的安全性降低很多。最后，盛雷補充：總而言之，中科大研制的新型鋰電池可實現(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的報道，期望中科大研究人員可及時地持續(xù)地報道該電池的后續(xù)研究成果。
欄目主編：黃海華
本文作者：侍佳妮
