合肥光源用户在快充锂离子负极研究中取得重要进展
时间 : 2020-10-14     
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。

中国科学技术大学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国科学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团队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。该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。

研究过程中,该团队借助合肥光源软X射线磁圆二色站的同步辐射软X-射线吸收谱的表征手段,发现碳-磷共价键的形成是提高黑磷电化学反应能力的关键。从边吸收谱可以看到,伴随着石墨(G)与黑磷(BP)的杂化,出现了一个新的特征峰A’,意味着石墨(G)与黑磷(BP)之间形成了共价键C-P,这也是导致黑磷L边发生变化的内在原因。此外,在边吸收谱中明显存在的σ* 键表明石墨晶格在形成BP-G 后依然保持了有序的平面结构。这些结果充分表明黑磷和石墨是靠边缘的C-P 共价键连接。这一研究成果将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综合性能指标(包括能量密度、功率密度和循环寿命等)的进步。

相关研究工作以“Black Phosphorus Composites with Engineered Interfaces for High-Rate High-Capacity Lithium Storage”为题,于2020109日发表在国际著名学术期刊《Science》上[Science 370(6513):192-197 (2020)]


论文链接:https://science.sciencemag.org/content/370/6513/192