中國科大合肥微尺度物質科學國家研究中心和化學與材料科學學院中科院能量轉換材料重點實驗室季恒星教授聯合美國加州大學洛杉磯分校段鑲鋒教授等在鋰離子電池領域取得重要進展，在國際學術期刊《科學》（Science）上刊發重要研究成果。中國科學技術大學季恒星教授表示：“高容量、高速率和長循環壽命是電池研究的重點，這取決于電池的關鍵部件——電極材料。我們的目標是尋找一種電極材料，可以在實驗室研究中對性能指標產生影響，并有望滿足產業生產技術要求。”研究人員表示，能量得以進入和離開電池，是通過電極內的電化學反應，所以如何快速有效的轉移鋰離子至關重要，尤其是通過負極將能量從電池轉移到設備上。

 研究團隊嘗試使用黑磷作為負極材料。這種材料因容易沿層狀邊緣變形，嚴重影響鋰離子遷移率，之前一度被放棄。在此次研究中，研究人員將黑磷和石墨結合在一起，使兩種材料之間的化學鍵保持穩定，防止發生邊緣變形。研究小組還解決了這種材料存在的另一問題，即電解質可以分解成導電性較差的碎片，堆積在電極表面，抑制鋰離子遷移至電極材料中。該團隊在電極材料上涂上一層薄的聚合物凝膠涂層，使鋰離子能夠快速進入材料。中國科學院化學研究所的辛森教授表示：“這種復合負極材料充電不到10 分鐘，即可恢復 80%的電量，而且在室溫下，可以實現 2000 次左右的循環壽命。如果能夠實現量產，這種材料可能成為石墨負極新的替代品，使鋰離子電池的能量密度超過每千克 350 瓦時，并且可以快速充電。這將大大提高電動汽車相對于燃料汽車的競爭力。”

 如果電池的能量密度達 350 瓦時每千克，電動汽車單次充電可以行駛 600 英里。相比之下，特斯拉 Model S 單次充電的續航里程為 400 英里。季恒星教授表示，研究人員將在新技術的基礎上，繼續探討鋰離子充放電過程中的基本科學問題，以及規模化生產復合材料的相關產業問題。“我們將研究合理選擇結構的工程材料，同時考慮到價格和實用性，使材料性能更具吸引力。”本工作對優選電極材料體系并通過界面設計挖掘電極性能潛力具有重要的借鑒，以期推動鋰離子電池的包括能量密度、功率密度和循環壽命在內的綜合性能指標的進步。論文第一作者是合肥微尺度物質科學國家研究中心的博士研究生金洪昌。該研究工作得到了科技部、國家自然科學基金委、安徽省等的支持。