在國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（批準(zhǔn)號(hào)：21975243、51672262）資助下，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)季恒星教授聯(lián)合美國(guó)加州大學(xué)洛杉磯分校段鑲鋒教授等在鋰離子電池領(lǐng)域取得新進(jìn)展。研究成果以“黑磷復(fù)合材料界面調(diào)控實(shí)現(xiàn)高倍率高容量的鋰存儲(chǔ)（Black Phosphorus Composites with Engineered Interfaces for High-Rate High-Capacity Lithium Storage）”為題，于2020年10月9日發(fā)表在《科學(xué)》（Science）上。

消費(fèi)電子、電動(dòng)汽車、分布式儲(chǔ)能等產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展對(duì)鋰離子電池綜合性能提出了越來越高的要求，發(fā)展具有高能量密度、高功率密度、長(zhǎng)循環(huán)壽命的鋰離子電池已成為電化學(xué)能源領(lǐng)域的重要方向。

黑磷復(fù)合負(fù)極材料結(jié)構(gòu)和儲(chǔ)鋰性能

提升鋰離子電池功率密度的關(guān)鍵在于提高負(fù)極材料的倍率性能。該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，在用作堿金屬離子電池負(fù)極時(shí)，黑磷表現(xiàn)出極高的質(zhì)量容量（Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 2318；ACS Appl. Mater. Inter. 2019, 11, 16656），其層狀結(jié)構(gòu)和半導(dǎo)體性質(zhì)預(yù)示著黑磷具有極高的倍率性能；進(jìn)一步研究表明，黑磷容易從二維片層的邊緣開始發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞（J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 7561），通過化學(xué)修飾可以穩(wěn)定黑磷邊界結(jié)構(gòu)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)相關(guān)物理性質(zhì)的穩(wěn)定重現(xiàn)（Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 1479；Adv. Mater. 2017, 29, 1605776）。

在上述成果啟發(fā)下，該團(tuán)隊(duì)采用高能球磨法獲得了黑磷納米片與石墨納米片并肩平行排列且通過碳-磷共價(jià)鍵連接的復(fù)合材料，該材料有利于鋰離子在復(fù)合材料內(nèi)進(jìn)行高效穿梭；通過聚苯胺包覆進(jìn)一步優(yōu)化固態(tài)電解質(zhì)界面膜，使鋰離子能夠快速進(jìn)入復(fù)合材料（如圖）。電池測(cè)試表明：在13 A g-1電流密度下，復(fù)合材料可逆質(zhì)量容量達(dá)500 mAh g-1，穩(wěn)定循環(huán)達(dá)2000次。

本工作對(duì)發(fā)展電極材料和優(yōu)化界面設(shè)計(jì)進(jìn)而提升鋰離子電池綜合性能具有重要的借鑒價(jià)值。

轉(zhuǎn)載自：http://www.nsfc.gov.cn/publish/portal0/tab448/info79102.htm

論文鏈接： https://www.nature.com/articles/s41378-020-0179-6https://science.sciencemag.org/cgi/doi/10.1126/science.aav5842

構(gòu)建黑磷復(fù)合負(fù)極材料結(jié)構(gòu)設(shè)備鏈接：無掩膜激光直寫光刻機(jī)