近日，我国科学技术大学季恒星教授研究组与合作者在《科学》杂志发表重大突破成果，使用全新设计的黑磷复合材料，令兼具高容量、快速充电且长寿命的锂离子电池成为可能，有望解决电动汽车充电时间较长的难题。
神奇黑磷如何为锂离子电池“赋能”
锂离子电池，已然成为现代人生活中的重要组成部分，它较高的能量密度，让手机、平板电脑等小型电子设备步入了千家万户。2019年诺贝尔化学奖表彰的三位科学家，正是为锂离子电池发展做出了杰出贡献。
从1991年商业化至今，锂离子电池的主流正负极材料没有太大改变——当前最常见的锂离子电池中，正极为钴酸锂材料，负极是碳材料。而中科大此次引发关注的科研成果，正是将黑磷这种新材料添加到锂离子电池负极中。“这应该是目前世界上独一无二的一项研究，绝对是国内锂离子电池研究的重大突破。”研究锂离子电池热管理方向的上海理工大学盛雷博士评价道：
黑磷是白磷在高温和高压强下转化形成的黑色有金属光泽的晶体，在磷的同素异形体中反应活性最弱，不会在空气中自燃。将黑磷添加到锂离子电池负极中，能够新增电池负极材料的波谱性，聚集更多锂原子，新增电池容量，也能使锂离子更好地在正负极之间穿梭，增大电子的穿梭效率。
盛雷介绍，十年前我国的锂离子电池研发处于艰难的“跟跑”状态，但如今，我国在锂离子电池的研发方面已处于世界领先地位，超越国际上许多发达国家。现如今，欧洲多国电动汽车生产公司都向我国定制锂离子电池，比如国产的三元锂离子电池和磷酸亚铁锂离子电池等。在锂离子电池快充方面，去年美国也公布了一项前沿研究成果，在电池负极添加石墨烯以增强电池的充放电性能；但目前我国中科大通过在电池负极添加黑磷元素可起到同样的电池性能增强效果，在经济性方面，我国的研究相对卓越。
充电速度仍是我国锂离子电池研发短板
充电快，是人们对锂离子电池的一大期待，但并不是唯一期待。当前电动汽车锂离子电池的研究方向，重要着重于以下几点：能量密度、功率密度、充电速度和安全性。“能量密度决定车能跑多远，功率密度决定车能跑多快，当然安全是前提。”盛雷表示，充电速度仍是国内锂离子电池研究的短板。
无论是美国的石墨烯锂离子电池，还是我国科技大学、浙江大学研发的新型锂离子电池，都在理论上有望10分钟甚至在10秒内充满电。然而实验室里可以实现的充电速度，放到汽车上还能不能成真，要更多研究或许才能实现。上文提到的三元锂离子电池，从实验室到大规模公司生产，耗费了十余年时间。此外，配套设施是否跟得上也是一个问题，假如以不低于5倍率的电流给锂离子电池充电，那么单根充电线可能要承载近千安培的电流，这时若十余辆电动汽车同时充电，则总输电线的粗细可能要接近电线杆那么粗。
当前，我国期望在2025年之前将锂离子电池单体的能量密度提升至500wh/kg，现在电池单体的能量密度刚超过300wh/kg，距目标还有很长一段距离；即使500wh/kg的能量密度目标实现，那么还存在许多电池的热安全问题。比如现在将三元锂离子电池中镍、钴、锰三种材料的比例从之前的5：3：2改变为8：1：1，虽能量密度可得到大幅度提升，但同时使电池的安全性降低很多。最后，盛雷补充：总而言之，中科大研制的新型锂离子电池可实现良好的快充功能，但是在该型电池的功率密度和热安全性方面还没有详细的报道，期望中科大研究人员可及时地持续地报道该电池的后续研究成果。
栏目主编：黄海华
本文作者：侍佳妮
