中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心和化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院中國科學(xué)院能量轉(zhuǎn)換材料重點實驗室季恒星教授聯(lián)合美國加州大學(xué)洛杉磯分校段鑲鋒教授團(tuán)隊采用高能球磨的辦法獲得了黑磷納米片與石墨納米片并肩平行排列且通過碳-磷共價鍵連接的復(fù)合材料,使鋰離子能夠在復(fù)合材料內(nèi)高效穿梭;更進(jìn)一步通過聚苯胺包覆優(yōu)化固態(tài)電解質(zhì)界面膜,使鋰離子能夠快速進(jìn)入復(fù)合材料。該復(fù)合材料在壓實密度達(dá)到1.49 g/cm-3的條件下可在13 A/g的電流密度下實現(xiàn)近500 mAh/g(復(fù)合材料)的可逆質(zhì)量容量,并穩(wěn)定循環(huán)達(dá)2000次。
研究過程中,該團(tuán)隊借助合肥光源軟X射線磁圓二色站的同步輻射軟X-射線吸收譜的表征手段,發(fā)現(xiàn)碳-磷共價鍵的形成是提高黑磷電化學(xué)反應(yīng)能力的關(guān)鍵。從C 的K 邊吸收譜可以看到,伴隨著石墨(G)與黑磷(BP)的雜化,出現(xiàn)了一個新的特征峰A’,意味著石墨(G)與黑磷(BP)之間形成了共價鍵C-P,這也是導(dǎo)致黑磷L邊發(fā)生變化的內(nèi)在原因。此外,在C 的K 邊吸收譜中明顯存在的σ* 鍵表明石墨晶格在形成BP-G 后依然保持了有序的平面結(jié)構(gòu)。這些結(jié)果充分表明黑磷和石墨是靠邊緣的C-P 共價鍵連接。這一研究成果將對優(yōu)選電極材料體系并通過界面設(shè)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綜合性能指標(biāo)(包括能量密度、功率密度和循環(huán)壽命等)的進(jìn)步。
相關(guān)研究工作以“Black Phosphorus Composites with Engineered Interfaces for High-Rate High-Capacity Lithium Storage”為題,于2020年10月9日發(fā)表在國際著名學(xué)術(shù)期刊《Science》上[Science 370(6513):192-197 (2020)]。

論文鏈接:https://science.sciencemag.org/content/370/6513/192