近日，由教育部科技委組織評選的2020年度“中國高等學(xué)校十大科技進(jìn)展”結(jié)果揭曉。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)主導(dǎo)完成的“黑磷復(fù)合材料的‘界面重構(gòu)’實(shí)現(xiàn)高倍率高容量鋰存儲 ”入選2020年度“中國高等學(xué)校十大科技進(jìn)展”。?

至此，在國家部委、媒體機(jī)構(gòu)組織評選的三項(xiàng)2020年度“十大科技進(jìn)展”權(quán)威榜單中，中國科大均有主導(dǎo)完成的成果入選。

我校潘建偉院士團(tuán)隊(duì)主導(dǎo)完成的“科學(xué)家達(dá)到量子計(jì)算優(yōu)越性里程碑”和陳秀雄教授、王兵教授的“科學(xué)家攻克20余年懸而未決的幾何難題”同時(shí)入選由中國科學(xué)院與中國工程院主辦、兩院院士評選的2020年度“中國十大科技進(jìn)展新聞”和由科技日報(bào)社主辦、部分兩院院士和媒體人士共同評選出的“2020年國內(nèi)國際十大科技新聞”。

多領(lǐng)域技術(shù)（如電動汽車和5G通信）的進(jìn)步對具有快充能力的高能量密度電池需求日益迫切，然而高能量密度和快充能力難以兼得。能量通過鋰離子與電極材料的化學(xué)反應(yīng)進(jìn)出電池，電極材料對鋰離子的傳導(dǎo)能力是決定充電速度的關(guān)鍵。

黑磷是白磷的同素異形體，特殊的層狀結(jié)構(gòu)賦予它很強(qiáng)的離子傳導(dǎo)能力和高理論容量，是極具潛力的滿足快充要求的電極材料。然而黑磷容易從層狀結(jié)構(gòu)的邊緣開始發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞，實(shí)測性能遠(yuǎn)低于理論預(yù)期。我校季恒星教授與合作者提出了一種嶄新的“復(fù)合材料界面重構(gòu)”設(shè)計(jì)策略，用于提高鋰離子的擴(kuò)散速率。研究團(tuán)隊(duì)利用高能球磨的辦法將黑磷和石墨的層狀結(jié)構(gòu)撕裂，在層狀結(jié)構(gòu)的邊界暴露出的磷、碳原子相結(jié)合使黑磷和石墨納米片通過磷-碳共價(jià)鍵相連。這種結(jié)合誘導(dǎo)黑磷和石墨肩并肩平行排列，打開離子進(jìn)入黑磷的通道。更進(jìn)一步通過聚合物包覆優(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。材料在壓實(shí)密度1.49 g/cm3的條件下可在13 A/g的電流密度實(shí)現(xiàn)近500 mAh/g的儲鋰容量，穩(wěn)定循環(huán)2000次。如果能夠?qū)崿F(xiàn)這款材料的大規(guī)模生產(chǎn)，找到匹配的正極材料及其他輔助材料，并針對電芯結(jié)構(gòu)、熱管理和析鋰防護(hù)等進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，將有望獲得能量密度達(dá)350瓦時(shí)/千克并具備快充能力的鋰離子電池。在一技術(shù)的基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)將在基礎(chǔ)研究層面和規(guī)模制備技術(shù)方面繼續(xù)探索。

研究成果于2020年10月9日發(fā)表在《Science》上，該工作被新華社、《中國科學(xué)報(bào)》、《中國青年報(bào)》、《經(jīng)濟(jì)日報(bào)》、《解放日報(bào)》、央廣網(wǎng)等國內(nèi)媒體，英國The Independent（《獨(dú)立報(bào)》）、C&EN、EurekAlert、ChemEurpe、Phys.Org等國際主流媒體報(bào)道。固體界面共價(jià)鍵合的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)策略為基于已有電化學(xué)體系提高電極倍率性能，解決電池能量密度和功率密度相互掣肘的難題提供了全新的思路。

1998年以來教育部科技委每年組織評選出高等學(xué)校十大科技進(jìn)展，及時(shí)宣傳高等學(xué)校重大科技成果，充分展示了高校在我國科技創(chuàng)新方面的進(jìn)展，對提升高校科技的整體水平、科技創(chuàng)新能力發(fā)揮了積極作用。