По мере того как новые энергетические транспортные средства и крупномасштабные системы накопления энергии предъявляют все более настоятельные требования к сверхбыстрой зарядке и высокой емкости аккумуляторов, производительность батарей с традиционными графитовыми анодными материалами приближается к своему теоретическому пределу.Черный фосфор (BP) как анодный материал обладает чрезвычайно высокой емкостью хранения лития, однако из-за присущих ему недостатков, таких как низкая электропроводность, медленная кинетика реакций и значительное объемное расширение в процессе заряда-разряда, характеристики быстрой зарядки аккумуляторов быстро ухудшаются.
Недавно команда Ма Яньвэя из этого института успешно преодолела данное технологическое узкое место, инновационно предложив стратегию инженерии кристаллических связей фосфор-азот (P-N), что позволило реализовать стабильный заряд-разряд анодного материала из черного фосфора при сверхвысоких скоростях, и имеет большое значение для продвижения практического применения быстрозаряжаемых аккумуляторов на основе BP.
Исследовательская группа, начав с атомного масштаба, точно встроила связи P-N в кристаллическую решетку анода из черного фосфора. Используя их ослабляющее воздействие на ковалентность соседних связей фосфор-фосфор (P-P), они индуцировали локальный разрыв связей в процессе литирования, активируя связи P-P, тем самым ускоряя перенос заряда и значительно улучшая кинетические характеристики реакции преобразования. Основываясь на вышеупомянутом прорыве, команда успешно изготовила аккумуляторный элемент в мягкой упаковке с анодом из черного фосфора и катодом из литий-железо-фосфата, плотность энергии которого достигла 282 Вт·ч/кг. При зарядке с высокой скоростью этот элемент может зарядиться до 80% теоретической емкости всего за 10 минут и стабильно работать после тысяч циклов заряда-разряда, демонстрируя превосходную циклическую долговечность при быстрой зарядке.
Этот результат открывает совершенно новый технический путь для создания накопителей энергии следующего поколения с высокой плотностью энергии и высокой мощностью, обеспечивает ключевую поддержку для итерационного обновления китайских быстрозаряжаемых тяговых аккумуляторов, сетевых накопителей энергии и специального высокоскоростного оборудования для хранения энергии, а также имеет важное стратегическое значение для стимулирования скачкообразного развития технологий новых энергетических транспортных средств и накопления энергии, а также для повышения международной конкурентоспособности Китая в передовой области накопления энергии.
Исследовательская работа была выполнена совместно с Королевским Мельбурнским технологическим институтом (Австралия), а соответствующие результаты были опубликованы 21 апреля в журнале «Nature Communications». Работа получила поддержку Национального фонда естественных наук Китая, Пекинского фонда естественных наук и Австралийского исследовательского совета (ARC).