近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)季恒星教授研究組與合作者在《科學(xué)》雜志發(fā)表重大突破成果，使用全新設(shè)計的黑磷復(fù)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(jī)、平板電腦等小型電子設(shè)備步入了千家萬戶。2019年諾貝爾化學(xué)獎表彰的三位科學(xué)家，正是為鋰電池發(fā)展做出了杰出貢獻(xiàn)。

從1991年商業(yè)化至今，鋰電池的主流正負(fù)極材料沒有太大改變——當(dāng)前最常見的鋰電池中，正極為鈷酸鋰材料，負(fù)極是碳材料。而中科大此次引發(fā)關(guān)注的科研成果，正是將黑磷這種新材料添加到鋰電池負(fù)極中?！斑@應(yīng)該是目前世界上獨(dú)一無二的一項研究，絕對是國內(nèi)鋰電池研究的重大突破。”研究鋰電池?zé)峁芾矸较虻纳虾＠砉ご髮W(xué)盛雷博士評價道：

黑磷是白磷在高溫和高壓強(qiáng)下轉(zhuǎn)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(yīng)活性最弱，不會在空氣中自燃。將黑磷添加到鋰電池負(fù)極中，能夠增加電池負(fù)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(fù)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(lǐng)先地位，超越國際上許多發(fā)達(dá)國家。現(xiàn)如今，歐洲多國電動汽車生產(chǎn)企業(yè)都向中國定制鋰離子電池，比如國產(chǎn)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(fù)極添加石墨烯以增強(qiáng)電池的充放電性能；但目前我國中科大通過在電池負(fù)極添加黑磷元素可起到同樣的電池性能增強(qiáng)效果，在經(jīng)濟(jì)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(dāng)前電動汽車鋰電池的研究方向，主要著重于以下幾點(diǎn)：能量密度、功率密度、充電速度和安全性。“能量密度決定車能跑多遠(yuǎn)，功率密度決定車能跑多快，當(dāng)然安全是前提?！笔⒗妆硎荆潆娝俣热允菄鴥?nèi)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(xué)、浙江大學(xué)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(nèi)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(chǎn)，耗費(fèi)了十余年時間。此外，配套設(shè)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(xì)可能要接近電線桿那么粗。

當(dāng)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(biāo)還有很長一段距離；即使500 Wh/kg的能量密度目標(biāo)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(bǔ)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(xì)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。