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中国科学技术大学在快充锂离子负极研究中取得重要进展
2020-10-09 11:34:00
中国科学技术大学
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  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《科学》杂志(Science2020,370, 192–197)。

  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。

  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。

  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。

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

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