速率快能量高还耐用！中美团队提出新方案，让充电像加油一样快

电动汽车市场逐年壮大，特斯拉市值更是超越了传统汽车巨头，但是，由于电池的问题，许多消费者还是对电动汽车持观望态度。即使在理想情况下，给车辆充电也无法达到传统汽车加油的速度。

迄今为止，许多厂商都选择增大电池容量，如特斯拉Model3各版本的电池容量就有很大差异。虽然有的厂商也提出了新电池方案，但量产遥遥无期。于是有人提出，提升电池充电速度，使充电就像加油一样快速简单可能更有效。

本周，一篇发表在《科学》杂志上的论文提出了一种新的方案，即使用黑磷作为材料。就其本身而言，黑磷不是一种很好的电池材料，但一个中美联合研究团队已经找到了控制方法，使其工作效率显著提升。

什么是黑磷呢?其结构和石墨类似，石墨已经被用作锂离子电池电极材料，这是碳的一种形式，由一大堆层层叠叠的石墨烯片组成。石墨烯则是由一个巨大分子组成的薄片，这个分子由相互结合的碳原子组成，以六边形模式排列。同样，黑磷由许多层原子厚的叫做磷烯的物质组成。

磷烯片，正是其层层叠加构成了黑磷。

虽然结构类似，但是两者之间存在关键区别。首先，磷是一种较大的原子，电子比碳多，因此它可以与更多的锂原子相互作用，从而增加充电速率。其次，碳原子形成的石墨烯基本上是平的，其厚度与形成其的碳原子相似。但磷片相邻的原子以一定的角度结合在一起，形成一系列的脊或通道，表面凹凸不平，如上图所示。

其凹凸不平的特性吸引了研究人员的兴趣，因为这些角度构成了通道，锂离子可以在其中快速进出。此外，因为每个磷原子可以与多个锂离子相互作用。最后，黑磷导电性良好，这也是电池电极应具有的一个重要特征。

但是，目前黑磷的应用并不多，像其他电极材料一样，黑磷随着锂离子的进入而膨胀，增加了充电/放电循环中结构故障的风险。此外，在薄片的边缘，不同的层之间会形成化学键，将锂离子进出的通道堵塞。要将其作为电池材料，这些问题必须解决。

为了处理磷片边缘形成的化学键，中美团队将黑磷和石墨混合，使磷片边缘的原子与碳原子形成化学键。虽然石墨不如碳存储介质有效，但用于电池还是绰绰有余。此外，研究人员将石墨用量限制在总量的15%左右，这使得黑磷处理了大部分的储存需要。

为了让这种材料与固体电解质协同工作，研究人员在表面涂了一层注入液体电解质的薄聚合物凝胶。这确保了即使电极由于锂离子的大量流入，仍能与固体电解质相互作用。经过2000次循环后，涂有这种聚合物涂层的电极的容量比没有涂这种聚合物涂层的相同材料大10倍。

新材料在实验中表示相当不错。以类似于典型锂离子电池的速率充电时，新材料电池存储密度约为现有锂电池的三倍。快充时，电荷密度仍接近800毫安时/克，领先于锂电池(500毫安时/克)。新材料甚至可以以两倍以上的速率充电，且不会大幅降低容量。

最重要的是，上述数据是在2000次充电/放电循环后得出的，这表明新材相当耐用。

这项研究提出的新方案表明，在实现电池快速充电方面某些限制是可以克服的，当然，要想实现商用，还需要进行更深入的研究。即使黑磷最终没有成为电池材料，这项研究也为开发电池的逻辑和过程提供了一些见解。

编译/前瞻经济学人APP资讯组

原文来源：

https://arstechnica.com/science/2020/10/engineering-a-battery-fast-enough-to-make-recharging-like-refueling/

https://www.newsbreak.com/news/2080168029464/engineering-a-battery-fast-enough-to-make-recharging-like-refueling