北京时间10月9日凌晨，中国科学技术大学季恒星教授团队的一项科研成果在国际顶尖杂志《科学》（Science）上刊发。季恒星教授研究组与合作者们在新型锂离子电池电极材料研究方面取得重大突破：全新设计的黑磷复合材料使兼具高容量、快速充电且长寿命的锂离子电池成为可能。
季恒星介绍，如果这项技术投入实用，“我们有可能让电动汽车在10分钟左右的时间内充满电，并能行驶约500公里。”
寻找更好的电极材料
当前，电动汽车受到市场青睐，但漫长的充电时间也成为它的短板。传统燃油汽车仅需五分钟即可满油增程500公里，而目前市售最先进的电动汽车则需要“坐等”充电一小时才能达到同样的增程效果。发展具有快速充电能力的大容量锂离子电池，一直是电动汽车行业的重要目标。
电极材料是决定电池性能指标的关键因素之一。“如果想提高电池充电的速度，就需要一款充电的电化学反应速度很快的材料。其中一个非常重要的判断标准，就是电极材料传导电子和离子的能力是否够强。”季恒星说，研究团队希望能够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。
论文第一作者金洪昌博士介绍：“能量通过锂离子与电极材料的化学反应进出电池，因此电极材料对锂离子的传导能力是决定充电速度的关键；另一方面，单位质量或体积的电极材料容纳锂离子的多少也是一个重要因素。”
基于前人的研究，研究团队发现，黑磷是一个优异的选择。首先，它的理论容量非常高，仅次于单晶硅或金属锂。第二，作为一款半导体材料，它传导电子的能力很强。第三，黑磷具有层状结构，锂离子可以在黑磷片层的层间快速传导。这三方面的优异性质，让黑磷成为一款非常有潜力的、能够实现锂离子电池快充的电极材料。
黑磷是白磷的同素异形体，特殊的层状结构赋予它很强的离子传导能力和高理论容量，是极具潜力的满足快充要求的电极材料。但理想很丰满，现实比较骨感。目前一系列的研究报道发现，黑磷的综合性能指标跟预期有一定的差距。
黑磷容易从层状结构的边缘开始发生结构破坏，实测性能远低于理论预期。为解决这个问题，季恒星团队采用“界面工程”策略将黑磷和石墨通过磷碳共价键连接在一起，使它的结构更加稳定，锂离子进入黑磷颗粒的过程更加容易，这样就极大地提高了原本可能受限的锂离子传导。
此外，电极材料在工作过程中会被电解液逐渐分解的化学物质所包裹，部分物质会阻碍锂离子进入电极材料，就像玻璃表面的灰尘阻碍光线穿透。研究团队就给这个复合材料穿上了一层衣服，他们用轻薄的聚合物凝胶做成防尘外衣“穿”在黑磷石墨复合材料表面，使锂离子得以顺利进入。“在这两个层面的界面优化下，这款黑磷复合材料达到了性能上的突破。”季恒星说。
优异的性能，灿烂的前景
新材料的性能突破到什么程度？
“我们采用常规的工艺路线和技术参数将黑磷复合材料做成电极片。实验室的测量结果表明，电极片充电9分钟即可恢复约80％的电量，2000次循环后仍可保持90％的容量。”论文的共同第一作者，中国科学院化学研究所研究员辛森介绍说，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350瓦时／千克并具备快充能力的锂离子电池。
通过碳磷共价键连接在一起的黑磷复合材料具备更加稳定的结构和更高的锂离子传输能力。美术设计：石千惠，董逸涵，梁琰中国科大新文科基金支持
这意味着什么？
具备能量密度350瓦时／千克的锂离子电池能够使电动汽车的行驶里程接近1000千米，而特斯拉Model S满电后的行驶里程为650千米。而快速充电能力将使电动汽车的用户体验上升一个台阶。
在新技术的基础上，团队将在基础研究层面和规模制备技术方面继续探索。深入认识电极材料的微观结构、理化性质和电化学反应过程等基础科学问题，掌握以界面工程为例的化学手段，同时了解产业界对核心材料的性能需求，这些是实现电池技术突破，推进相关领域如消费电子、电动汽车行业发展的必备条件。
季恒星说：“带着这样一个愿景，我们还有大量的工作要做，尤其是在基础研究层面和规模化制备技术方面。但是我们对未来充满了希望！”