电动汽车10分钟充满电不是梦 中国科大新型电极材料助推锂电池快充
2024-04-15 16:07
新安晚报 安徽网 大皖客户端讯 近日，中国科学技术大学季恒星教授研究组与合作者们，在新型锂离子电池电极材料研究方面取得重大突破——全新设计的黑磷复合材料使兼具高容量、快速充电且长寿命的锂离子电池成为可能，该成果已在《科学》杂志发表。该研究成果也有望解决目前电动汽车充电时间较长的难题。
电极材料决定充电速度
据季教授介绍，该研究成果是关于一款用在锂离子电池当中的新型电极材料。大家对于锂离子电池都不陌生，它是一款改变了人们生活方式的发明。人们希望手机越来越轻薄，而决定手机是否轻薄的一个关键因素，就是电池的体积和重量。
人们希望电动汽车充电的时间和燃油车加油的时间相当。但目前最好的技术，也只能让电动汽车充满电的时间在一个小时左右。如果想提高电池充电速度，就需要一款电化学反应速度很快的材料。其中一个非常重要的判断标准就是电极材料传导电子和离子的能力是否够强。
“我们希望能够发现一款既能在综合性能指标方面给行业以期待，又能适应工业化电池生产流程的电极材料。”季恒星说。
论文第一作者金洪昌博士说：“能量通过锂离子与电极材料的化学反应进出电池，因此电极材料对锂离子的传导能力是决定充电速度的关键；另一方面，单位质量或体积的电极材料容纳锂离子的多少也是一个重要因素。”
黑磷复合材料性能优异
基于前人的研究，团队研究人员发现，黑磷是个优异的选择。首先，它的理论容量非常高，仅次于单晶硅或金属锂；其次，作为一款半导体材料，它传导电子的能力很强；再次，黑磷具有层状结构，锂离子可以在黑磷片层的层间快速传导。这三方面的优异性质，让黑磷成为一款非常有潜力的、能够实现锂离子电池快充的电极材料。
理想很丰满，但现实比较骨感。目前经一系列的研究发现，黑磷的综合性能指标跟预期仍有一定的差距。为解决这一问题，团队研究人员一方面把黑磷跟石墨通过碳磷共价键的方式连接在一起，使它的结构更加稳定、锂离子进入黑磷颗粒的过程更加容易，这样就极大地提高了原本可能受限的锂离子传导；另一方面，他们给这个复合材料穿上了一层“衣服”，让电极在周围充满电解液的环境下，界面更稳定，更适合锂离子的进入。经过如此优化，这款黑磷复合材料有了性能上的突破。
有望实现10分钟充满电
“ 我们采用常规的工艺路线和技术参数将黑磷复合材料做成电极片，经实验测量，这种电极片充电9 分钟即可恢复约80%的电量，2000 次循环后仍可保持90%的容量。”论文共同第一作者、中国科学院化学研究所的辛森研究员说：“如果能够实现这款材料的大规模生产，找到匹配的正极材料及其他辅助材料，并针对电芯结构、热管理和析锂防护等进行优化设计，将有望获得能量密度达350 瓦时/千克并具备快充能力的锂离子电池。”
据悉，具备能量密度350 瓦时/千克的锂离子电池，能使电动汽车的行驶里程接近1000 千米。目前，特斯拉Model S 满电后的行驶里程约为650 千米。同时，快速充电能力也会让电动汽车的用户体验上升一个台阶。
“在综合考虑压实密度、面负载量等工业界比较关心的一系列技术指标的前提下，我们有可能让电动汽车在10 分钟左右的时间内充满电，并能行驶约500 公里。”季恒星教授表示，带着这样的一个愿景，科研团队还有大量的工作要做，尤其是在基础研究层面和规模化制备技术方面，他们对未来充满希望。
在新技术的基础上，该团队将在基础研究层面和规模化制备技术方面继续探索。季教授说：“我们将在现有基础上继续努力，使论文中的研究成果更加贴近电池产业的要求。”
范琼 李晓曦 赵小娜 胡冬寅 新安晚报 安徽网 大皖客户端 记者陈牧