在國家自然科學基金項目（批準號：21975243、51672262）資助下，中國科學技術大學季恒星教授聯(lián)合美國加州大學洛杉磯分校段鑲鋒教授等在鋰離子電池領域取得新進展。研究成果以“黑磷復合材料界面調(diào)控實現(xiàn)高倍率高容量的鋰存儲（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》（Science）上。

消費電子、電動汽車、分布式儲能等產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展對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、長循環(huán)壽命的鋰離子電池已成為電化學能源領域的重要方向。

黑磷復合負極材料結(jié)構和儲鋰性能

提升鋰離子電池功率密度的關鍵在于提高負極材料的倍率性能。該團隊發(fā)現(xiàn)，在用作堿金屬離子電池負極時，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)構和半導體性質(zhì)預示著黑磷具有極高的倍率性能；進一步研究表明，黑磷容易從二維片層的邊緣開始發(fā)生結(jié)構破壞（J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 7561），通過化學修飾可以穩(wěn)定黑磷邊界結(jié)構，進而實現(xiàn)相關物理性質(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，該團隊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-磷共價鍵連接的復合材料，該材料有利于鋰離子在復合材料內(nèi)進行高效穿梭；通過聚苯胺包覆進一步優(yōu)化固態(tài)電解質(zhì)界面膜，使鋰離子能夠快速進入復合材料（如圖）。電池測試表明：在13 A g-1電流密度下，復合材料可逆質(zhì)量容量達500 mAh g-1，穩(wěn)定循環(huán)達2000次。

本工作對發(fā)展電極材料和優(yōu)化界面設計進而提升鋰離子電池綜合性能具有重要的借鑒價值。

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

構建黑磷復合負極材料結(jié)構設備鏈接：無掩膜激光直寫光刻機