季恒星、段镶锋Nature：快充锂离子负极研究中取得重要进展

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中国科大合肥微尺度物质科学国家研究中心和化学与材料科学学院中科院能量转换材料重点实验室季恒星教授联合美国加州大学洛杉矶分校段镶锋教授等在锂离子电池领域取得重要进展。研究成果以“Black Phosphorus Composites with Engineered Interfaces for High-Rate High-Capacity Lithium Storage”为题，于2020年10月9日发表在国际著名学术期刊《科学》杂志（Science2020,370, 192–197）。
       消费电子、电动汽车、分布式储能等产业的快速发展对锂离子电池综合性能提出了越来越高的要求。例如：传统燃油汽车仅需五分钟即可满油增程500公里，而目前市售最先进的电动汽车则需要充电一小时才能达到同样的增程效果，虽然电动汽车愈发受到市场青睐，但漫长的充电时间也让人望而却步。发展具有高能量密度、高功率密度、长循环寿命的锂离子电池已成为电化学能源领域的重要方向。
       决定锂离子电池功率密度的关键之一在于负极材料的倍率性能。季恒星课题组近年来的研究发现：黑磷用作碱金属离子电池负极具有极高的质量容量（Angew. Chem. Int. Ed.2020,59, 2318；ACS Appl. Mater. Inter.2019,11, 16656），且黑磷的层状结构和半导体性质也预示黑磷应具有极高的倍率性能。但是深入研究发现黑磷容易从二维片层的边缘开始发生结构的破坏（J. Am. Chem. Soc.2018,140, 7561），通过化学修饰可以稳定黑磷的边界结构并伴随着相关物理性质的重现（Angew. Chem. Int. Ed.2019,58, 1479；Adv. Mater.2017,29, 1605776）。受这些研究结果启发，季恒星等采用高能球磨的办法获得了黑磷纳米片与石墨纳米片并肩平行排列且通过碳-磷共价键连接的复合材料，使锂离子能够在复合材料内高效穿梭；更进一步通过聚苯胺包覆优化固态电解质界面膜，使锂离子能够快速进入复合材料（图1）。

图1.黑磷复合负极材料结构和储锂性能（原图摘自论文并由课题组提供）

         复合材料在压实密度达到1.49 g/cm-3的条件下可在13 A/g的电流密度下实现近500 mAh/g（复合材料）的可逆质量容量，并稳定循环达2000次。电化学原位X-射线吸收谱和飞行时间二次离子质谱测试结果分别表明：碳-磷共价键的形成是提高黑磷电化学反应能力的关键；聚苯胺经电解液溶剂溶胀形成富含有机组分的固态电解质界面膜，是提高锂离子进入复合材料颗粒能力的关键。
        本工作对优选电极材料体系并通过界面设计挖掘电极性能潜力具有重要的借鉴，以期推动锂离子电池的包括能量密度、功率密度和循环寿命在内的综合性能指标的进步。论文第一作者是合肥微尺度物质科学国家研究中心的博士研究生金洪昌。该研究工作得到了科技部、国家自然科学基金委、安徽省等的支持。
        全文链接：https://science.sciencemag.org/cgi/doi/10.1126/science.aav5842

（合肥微尺度物质科学国家研究中心、化学与材料科学学院、科研部）

        文章来源：中国科学技术大学

        季恒星，博士、中国科学技术大学教授。于2003年7月在中国科学技术大学应用化学系取得学士学位，2008年7月在中国科学院化学研究所取得博士学位。2008年7月至2010年8月在德国莱布尼茨固态与材料研究所任洪堡学者，2010年9月至2013年7月在美国德克萨斯州大学奥斯汀分校从事博士后研究，2013年8月加入中国科学技术大学化学与材料学院任教授、博士生导师、课题组负责人。目前主持国家自然科学基金面上项目和国际合作项目。近年来从事低维碳纳米材料的结构调控、电化学储能性质、规模化制备技术与应用研究。发表SCI收录论文70余篇，总引用6000余次，h因子37。近五年的第一/通信作者论文发表在包括J. Am. Chem. Soc.(3篇)、Angew. Chem. Int. Ed.(2篇)、Adv. Mater.(6篇), Nature Commun.(1篇) 等国际主流学术期刊上。18年中国科学院“百人计划”终期评估获评优秀，获得中组部“青年拔尖”人才计划支持。

        段镶锋，美国加州大学洛杉机分校(UCLA)终身教授。1977年出生，1997年本科毕业于中国科学技术大学，1999和2002年分别获得美国哈佛大学化学硕士和物理化学博士学位。2001-2008年在美国Nanosys高科技公司工作、是该公司的联合创始人之一，历任联合技术顾问、先进技术科学家、先进技术高级科学家、先进技术部经理和首席科学家。2008年被聘为美国加州大学洛杉机分校(UCLA)助理教授，2012年和2013年分别晋升为终身副教授和教授，2013年被聘为湖南大学特聘教授。2013年底依托湖南大学化学化工学院“化学生物传感与计量学国家重点实验室”和湖南大学物理与微电子科学学院“微纳光电器件及应用教育部重点实验室”组建“微纳系统与器件”课题组，旨在：(1) 纳米材料的合成、组装和表征；(2) 先进电子和光子材料与器件；(3) 能源利用、转化与存储；(4) 生物医学传感与治疗等方向进行一系列具有重大原创性的理论、实验或工程技术研究，使研究成果具有国际先进水平。