充电更快、容量更大！中科大《Science》高倍率高容量锂离子电池

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一、研究背景

锂系电池分为锂电池和锂离子电池。手机和笔记本电脑使用的都是锂离子电池，通常人们俗称其为锂电池。电池一般采用含有锂元素的材料作为电极，是现代高性能电池的代表。而真正的锂电池由于危险性大，很少应用于日常电子产品。

锂离子电池以碳素材料为负极，以含锂的化合物作正极，没有金属锂存在，只有锂离子，这就是锂离子电池。锂离子电池是指以锂离子嵌入化合物为正极材料电池的总称。锂离子电池的充放电过程，就是锂离子的嵌入和脱嵌过程。在锂离子的嵌入和脱嵌过程中，同时伴随着与锂离子等当量电子的嵌入和脱嵌（习惯上正极用嵌入或脱嵌表示，而负极用插入或脱插表示）。在充放电过程中，锂离子在正、负极之间往返嵌入/脱嵌和插入/脱插，被形象地称为“摇椅电池”。当对电池进行充电时，电池的正极上有锂离子生成，生成的锂离子经过电解液运动到负极。而作为负极的碳呈层状结构，它有很多微孔，达到负极的锂离子就嵌入到碳层的微孔中，嵌入的锂离子越多，充电容量越高。同样，当对电池进行放电时（即我们使用电池的过程），嵌在负极碳层中的锂离子脱出，又运动回正极。回正极的锂离子越多，放电容量越高。

锂离子电池(LIBs)在各种应用中越来越重要，包括手机电池、笔记本电脑电池、电动汽车等。然而，目前的功率密度有限，且通常需要一个相对较长的充电时间达到安全操作，因此为了提高充电速率、比能量和电池寿命，开发具有高存储容量、高速率、高电化学稳定性的阳极材料是至关重要的。

二、研究成果

近日，中国科学技术大学季恒星教授团队报告了黑磷(BP)作为活性阳极用于高速率、高容量存储锂。与石墨碳共价键的形成抑制了层状BP粒子的边缘重构，保证了Li⁺快速传输，用电解膨胀聚苯胺包覆共价结合的BP-石墨粒子，生成稳定的固态电解质间相，并抑制导电不良的氟化物和碳酸盐的持续生长，以确保锂离子的高效输运。合成的复合阳极显示出极好的性能组合，高容量、高速率，和优异的循环耐久性，在锂离子电池技术领域有极大应用前景！这项研究工作以“Black phosphorus composites with engineered interfaces for high-rate high-capacity lithium storage”为题发表在国际顶级期刊《Science》上。

论文链接：

https://science.sciencemag.org/content/370/6513/192

图1. （BP-G）/PANI的结构表征

图2. （BP-G）/ PANI的电化学性能表征

图3 原位XAS跟踪BP-G电极的结构演变图

图4 BP-G的电荷转移性质和结构分析

图5 （BP-G）/ PANI和BP-G阳极的界面工程研究

三、结论与展望

综上所述，作者提出了一种具有共价键合BP-G界面的BP-石墨（BP-G）复合材料，以防止边缘重建并确保高效的Li ⁺插入和扩散，以及聚苯胺（PANI）聚合物凝胶涂层被电解质溶胀，以防止导电性较低的氟化锂和碳酸盐的继续形成和积聚，形成稳定的SEI，对Li⁺传输更有利。设计的（BP-G）/ PANI复合材料具有优化的Li ⁺传导界面，该复合材料提供了高速率、高容量和高循环稳定性，在锂离子电池快充技术方面有潜在应用。文：one end）

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