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第十四期:黑磷负极锂离子电池,快充黑科技

时间:2021-05-14        来源:

电池的发展,经历了几百年,人们总是在探索一种方式,能够把电“随身携带”


从1800年意大利科学家亚历山大德罗·伏特最早发明的“伏打电堆”,到丹尼尔发明的锌铜原电池;到后来一次性碳锌电池、充电电池;再到如今的锂离子电池;电池的储量越来越大,科技含量越来越高。



由于锂电池能量高、重量轻、绿色环保,已经成为如今电池界的新星与主流。


01 锂离子电池的工作原理


锂离子电池的充放电原理,源于它的两极反应:通过两极电能与化学能的互相转化,实现充电与放电。



形象作比,我们可以把锂离子,比作一辆装载电荷的小车:充电时,在电场的作用下,载着电荷的小车将能量运输到负极;放电时,这辆带着电荷的小车又通过化学反应跑到了正极,电荷的运动,形成电流,实现了充电与放电。


这一运输过程,被称之为嵌入与脱嵌。


按照理论来讲,只要锂离子电池的正负两极化学结构稳定,嵌入和脱嵌循环进行,电池的充放电可逆性好,锂离子电池是可以长久循环使用的。


所以,锂离子电池的性能,很大程度上取决于正负两极的材料。目前锂离子电池的正极材料主要是磷酸铁锂、镍钴锰三元化合物,负极材料则主要是石墨和碳等。


02 锂电池负极材料的“破局”


既然锂离子电池能够实现循环使用,又具备能量高的优点,为何在新能源汽车发展的如今,科学家们却仍然在不断寻找新材料,来实现锂电池的优化呢?


这是因为,锂离子在两极间与电解质之中来回移动,负极材料对于电池容量的影响非常大,目前常用的负极材料石墨,虽然储电稳定性与耐用性高,但是石墨的比容量较低,难以满足未来动力电池的需求。燃油汽车仅需要几分钟的加油时间便可行驶上百公里,而目前最先进的电动汽车仍需要一个小时左右才能使电池充到同样的行驶里程的电量。



科学的魅力正在于不断探索创新、突破不可能。有科学家预言,如果使用黑磷作为锂电池的负极材料,有着比石墨高7倍的比容量,而且黑磷的导电性较好、层间距也更适合离子穿梭,从而提升锂离子电池的容量和充电速度。如果将黑磷用作锂电池负极材料,有望获得400瓦时的快充锂电子电池,使纯电动车行车里程数达到1000千米,实现锂电池负极材料的“破局”,开创一页电池发展史上的新篇章。



03 黑磷究竟是何方“神圣”


能够被用于制作“超级”锂电池的黑磷,究竟有着怎样的性能呢?在我们的第七期【趣味科普】媲美石墨烯的“黑马”,被寄予厚望的新型半导体——黑磷中(点击可跳转查看),我们对黑磷有过介绍。




黑磷是磷单质家族中热稳定性最好的一员,属于类石墨烯二维材料,呈现出半导体特性。一方面,黑磷具有比硅更好的导电性,其载流子迁移率可达到1 000 cm2/(V·s);另一方面,黑磷的直接带隙结构也使其对光有高效的响应。


先进院团队已经实现了黑磷晶体和黑磷烯的规模化制备,并且,针对新能源、催化、半导体和生物医学等领域的应用,开发了系列黑磷基功能材料。相关技术获得了科技部、基金委、中科院等项目资助,发表一区SCI论文50多篇,10多篇入选ESI被高引论文,申请发明专利60多项。相关技术先后获得中科院率先杯未来技术创新大赛最高奖、中国产学研合作创新奖等。同时,还与兴发集团共建了“二维黑磷联合实验室”,并且共同创立了中科墨磷科技有限公司,开展黑磷相关技术和产品的开发与产业化。


一旦黑磷负极材料成功在锂离子电池中应用,可能会为新能源汽车、电子信息产业带来巨大的变化。武汉先进院也在通过坚持不懈的努力,为中国快充锂离子电池产业开拓新的可能。


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