快速充電 10 分鐘恢復(fù) 80%
中國科大合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心和化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院中科院能量轉(zhuǎn)換材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室季恒星教授聯(lián)合美國加州大學(xué)洛杉磯分校段鑲鋒教授等在鋰離子電池領(lǐng)域取得重要進(jìn)展,在國際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》(Science)上刊發(fā)重要研究成果。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)季恒星教授表示:“高容量、高速率和長循環(huán)壽命是電池研究的重點(diǎn),這取決于電池的關(guān)鍵部件——電極材料。我們的目標(biāo)是尋找一種電極材料,可以在實(shí)驗(yàn)室研究中對性能指標(biāo)產(chǎn)生影響,并有望滿足產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)要求。”研究人員表示,能量得以進(jìn)入和離開電池,是通過電極內(nèi)的電化學(xué)反應(yīng),所以如何快速有效的轉(zhuǎn)移鋰離子至關(guān)重要,尤其是通過負(fù)極將能量從電池轉(zhuǎn)移到設(shè)備上。 研究團(tuán)隊(duì)嘗試使用黑磷作為負(fù)極材料。這種材料因容易沿層狀邊緣變形,嚴(yán)重影響鋰離子遷移率,之前一度被放棄。在此次研究中,研究人員將黑磷和石墨結(jié)合在一起,使兩種材料之間的化學(xué)鍵保持穩(wěn)定,防止發(fā)生邊緣變形。研究小組還解決了這種材料存在的另一問題,即電解質(zhì)可以分解成導(dǎo)電性較差的碎片,堆積在電極表面,抑制鋰離子遷移至電極材料中。該團(tuán)隊(duì)在電極材料上涂上一層薄的聚合物凝膠涂層,使鋰離子能夠快速進(jìn)入材料。中國科學(xué)院化學(xué)研究所的辛森教授表示:“這種復(fù)合負(fù)極材料充電不到10 分鐘,即可恢復(fù) 80%的電量,而且在室溫下,可以實(shí)現(xiàn) 2000 次左右的循環(huán)壽命。如果能夠?qū)崿F(xiàn)量產(chǎn),這種材料可能成為石墨負(fù)極新的替代品,使鋰離子電池的能量密度超過每千克 350 瓦時(shí),并且可以快速充電。這將大大提高電動(dòng)汽車相對于燃料汽車的競爭力。” 如果電池的能量密度達(dá) 350 瓦時(shí)每千克,電動(dòng)汽車單次充電可以行駛 600 英里。相比之下,特斯拉 Model S 單次充電的續(xù)航里程為 400 英里。季恒星教授表示,研究人員將在新技術(shù)的基礎(chǔ)上,繼續(xù)探討鋰離子充放電過程中的基本科學(xué)問題,以及規(guī)模化生產(chǎn)復(fù)合材料的相關(guān)產(chǎn)業(yè)問題。“我們將研究合理選擇結(jié)構(gòu)的工程材料,同時(shí)考慮到價(jià)格和實(shí)用性,使材料性能更具吸引力。”本工作對優(yōu)選電極材料體系并通過界面設(shè)計(jì)挖掘電極性能潛力具有重要的借鑒,以期推動(dòng)鋰離子電池的包括能量密度、功率密度和循環(huán)壽命在內(nèi)的綜合性能指標(biāo)的進(jìn)步。論文第一作者是合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心的博士研究生金洪昌。該研究工作得到了科技部、國家自然科學(xué)基金委、安徽省等的支持。
中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
2021-04-13