续航里程与充电速度是限制当今电动汽车扩张市场的两座大山。理论上大容量电池可以提升续航里程，但是车身重量与充电时间也会成比例上升，消费者与车企也都不希望为额外的物料与时间成本买单。全电动汽车行业非常需要能够在数分钟内充电并能存储足够能量以实现超过四百公里行驶里程的高速率锂离子电池。高功率充电最广为人知的负面影响就是热效应（Thermal effect），为此部分厂家提供了高压低电流快充方案以降低充电线缆的发热量。但是锂电池单体电芯电压无法提高，所以发热问题依旧无法规避。充放电温度的大幅波动会导致锂电池容量和循环稳定性的损失。市场上广泛采用的磷酸铁锂电池（正极材料LiFePO₄）三元锂电池（采用镍钴锰酸锂（Li（NiCoMn）O₂，NCM）或镍钴铝酸锂（NCA）为正极材料）都会面临此种问题。

在正极材料面临瓶颈时，提升负极材料的倍率性能成为提升锂离子电池功率密度的关键。季恒星课题组近年来的研究发现：黑磷用作碱金属离子电池负极具有极高的质量容量且黑磷的层状结构和半导体性质也预示黑磷应具有极高的倍率性能。

但是深入研究发现黑磷容易从二维片层的边缘开始发生结构的破坏，通过化学修饰可以稳定黑磷的边界结构并伴随着相关物理性质的重现。

受这些研究结果启发，季恒星等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。

 黑磷复合负极材料结构和储锂性能 图源：中国科学技术大学

据介绍，复合材料在压实密度达到1.49g/cm³的条件下可在13A/g的电流密度下实现近500mAh/g（复合材料）的可逆质量容量，并稳定循环达2000次。电化学原位 X - 射线吸收谱和飞行时间二次离子质谱测试结果分别表明：碳 - 磷共价键的形成是提高黑磷电化学反应能力的关键；聚苯胺经电解液溶剂溶胀形成富含有机组分的固态电解质界面膜，是提高锂离子进入复合材料颗粒能力的关键。

接受新华社采访时，中科院化学所研究员辛森介绍，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每千克350瓦时并具备快速充电能力的锂离子电池。

据了解，具备每千克350瓦时能量密度的锂离子电池，能使电动汽车的行驶里程接近1000公里。结合快速充电能力，将使电动汽车的用户体验大幅提升。

我们希望能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。”季恒星教授说，他的团队将进一步深入认识这款新材料的微观结构、理化性质和电化学反应过程等基础科学问题，了解产业界对电池材料的性能需求，推进新材料在电动汽车、消费电子等行业的应用发展。”

             2020年10月11日