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中美科學家研製出可快速充電的鋰離子電池材料

新華社,合肥
2020-10-09 14:19

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新華社合肥10月9日電(記者徐海濤)充電速度慢、續航里程短,是當前制約電動汽車發展的主要因素之一。近期,中國科學技術大學季恒星教授研究組與美國加州大學洛杉磯分校、中國科學院化學研究所等機構合作,研製出一種新型黑磷複合材料,充電9分鐘即可恢復約80%的電量,使兼具快速充電、高電荷容量、長壽命優點的鋰離子電池成為可能。10月9日,國際權威學術期刊《科學》發表了這項成果。

黑磷是白磷的同素異形體,特殊的層狀結構賦予它很強的離子傳導能力和理論上很高的電荷容量,是極具潛力的"快充"電極材料。然而,黑磷容易從層狀結構的邊緣開始發生結構破壞,實測性能遠低於理論預期。近期,季恒星團隊採用"介面工程"策略將黑磷和石墨通過磷碳共價鍵連接在一起,在穩定材料結構的同時,提升了黑磷石墨複合材料內部對鋰離子的傳導能力。

但是,電極材料在工作過程中會被電解液分解的化學物質所包裹,部分物質阻礙鋰離子進入電極材料,如同玻璃表面的灰塵阻礙光線穿透。聯合研究團隊用輕薄的聚合物凝膠做成防塵外衣,"穿"在黑磷石墨複合材料的表面,使鋰離子可以順利進入。

"我們採用常規的工藝路線和技術參數,將黑磷複合材料做成電極片。實驗室測量結果表明,電極片充電9分鐘即可恢復約80%的電量,2000次迴圈後仍可保持90%的電荷容量。"中科院化學所研究員辛森介紹,如果能夠實現這款材料的大規模生產,找到匹配的正極材料及其他輔助材料,並針對電芯結構、熱管理和析鋰防護等進行優化設計,將有望獲得能量密度達每千克350瓦時並具備快速充電能力的鋰離子電池。

據瞭解,具備每千克350瓦時能量密度的鋰離子電池,能使電動汽車的行駛里程接近1000公里。結合快速充電能力,將使電動汽車的用戶體驗大幅提升。

"我們希望能發現一款既能在綜合性能指標方面給行業以期待,又能適應工業化電池生產流程的電極材料。"季恒星教授說,他的團隊將進一步深入認識這款新材料的微觀結構、理化性質和電化學反應過程等基礎科學問題,瞭解產業界對電池材料的性能需求,推進新材料在電動汽車、消費電子等行業的應用發展。
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