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我国学者在快充锂离子电池负极方向取得重要进展
2020年10月09日    作者: 梁振兴 姜玮 张国俊 陈拥军    发布 : 化学科学部

在国家自然科学基金项目(项目批准号:21975243,51672262)资助下,中国科学技术大学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”(黑磷复合材料界面调控实现高倍率高容量的锂存储)为题,于2020年10月9日发表在《科学》上(Science 2020370, 192–197)。

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

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,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。

提升锂离子电池功率密度的关键在于负极材料的倍率性能。季恒星等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),其层状结构和半导体性质预示着黑磷具有极高的倍率性能;但是,进一步研究表明黑磷容易从二维片层的边缘开始发生结构破坏(J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 7561),通过化学修饰可以稳定黑磷边界结构,进而实现相关物理性质的稳定重现(Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 1479;Adv. Mater. 2017, 29, 1605776)。

在上述成果启发下,季恒星等采用高能球磨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,有利于锂离子在复合材料内进行高效穿梭;通过聚苯胺包覆进一步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)。电池测试表明:在13 A g-1电流密度下,复合材料可逆质量容量达500 mAh g-1,稳定循环达2000次。

本工作对发展电极材料和优化界面设计进而提升锂离子电池综合性能具有重要的借鉴价值。

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图1. 黑磷复合负极材料结构和储锂性能

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