设计电池的速度足够快，可以像加油一样充电

目前，电动汽车受到电池允许续航里程的限制。这是因为，即使在理想情况下，给汽车充电也不能像给一辆内燃车加油那么快。到目前为止，扩大射程的大部分努力都集中在增加电池的容量上。但是，制造一种充电速度更快的电池也同样有效，让充电就像加满油箱一样快速而简单。

关于这可能是如何安排的，不乏想法，但本周早些时候发表在“科学”(Science)杂志上的一篇论文提出了一种可能实现这一目标的不同寻常的方式：使用一种名为黑磷的材料，这种材料可以形成原子厚的薄片，其中有锂大小的通道。黑磷本身并不是一种很好的电池材料，但一个中美团队已经想出了如何操纵它，让它发挥更好的作用。即使黑磷最终不会成为电池材料，这篇论文也提供了一些开发电池的逻辑和过程的洞察力。

那么，什么是黑磷呢？要理解它，最简单的方法是将其与石墨进行比较，石墨是一种已经被用作锂离子电池电极的材料。石墨是一种碳，它只是一大堆层叠在一起的石墨烯薄片。反过来，石墨烯是由碳原子相互键合形成的巨大分子形成的薄片，碳以六边形图案排列。同样地，黑磷也是由一种叫做磷烯的原子厚度材料的多层片状物质组成的。

但这些材料之间存在着关键的区别。首先，磷是一个比碳更大的原子，拥有比碳更多的电子，因此它可以与更多的锂原子相互作用，这是电池电极的一个基本特征。另一个关键的区别是，碳原子形成的键确保了石墨烯基本上是平坦的，不比形成石墨烯的碳原子厚。正如你在上面看到的，磷片显然不是平坦的。相邻的原子以一定的角度捆绑在一起，从而使薄片形成一系列的脊状或沟槽。

正是这一特点吸引了研究人员的兴趣，因为这些角度形成了一条将锂离子快速进出材料的途径。而且，因为每个磷原子可以与多个锂离子相互作用，我们只知道两种材料的理论电极容量更高-其中一种是锂金属本身。最后，黑磷具有良好的导电性，这是电池电极的一个重要特点。

那么，为什么不是每个人都已经在使用黑磷了呢？嗯，主要是因为它不管用。与其他电极材料一样，随着锂离子的填充，黑磷也会膨胀，增加了充放电循环期间结构故障的风险。在薄片的边缘，化学键可以在不同的层之间形成，从而封闭了一些通道。要使其作为电池材料工作，需要解决这些问题。

而这正是本文所描述的。为了处理磷片边缘形成的化学键，他们将黑磷与石墨混合，并将两者研磨，使磷片边缘的原子与碳原子形成键。虽然石墨不像碳储存介质那样有效，但它仍然可以很好地用于电池。而且，通过将石墨的数量限制在总材料的15%左右，他们确保了黑磷处理了大部分锂存储。

为了让这种材料与固体电解质一起工作，研究人员在它上面涂上了一层注入了液体电解质的薄聚合物凝胶。这确保了，即使电极由于锂离子的大量涌入而移动，它仍然能够与固体电解质相互作用。当他们在电池中循环使用这种材料后进行检查时，他们还发现，它有助于排除其他电池材料分解形成的化学物质，这有助于提高耐用性。在2000次循环后，有这种聚合物涂层的电极的容量是没有它的相同材料的10倍。

研究人员用红磷制作了一个版本的电极，它形成了一个无序的网状结构，而不是分层的薄片。它的容量只有黑磷版本的三分之一，这表明需要这些薄片。减少用于形成电极的石墨的数量也会降低其总容量，尽管这意味着存在更多的黑磷，这表明碳在形成黑色磷酸盐的结构中确实起到了关键作用。

对电极的研究证实了碳-磷键的存在。而一种不含石墨的电极证实，它对锂离子的插入具有更高的抵抗力，如果碳-磷键阻止相邻的磷片相互成键，就会预测到这一点。

但关键问题是，这种材料是否允许快速充电，这就是这次练习的全部意义所在。目前锂电池的存储密度约为每克500毫安时，但充电速度非常慢。为了给电池充电，有时要与加满油箱竞争，作者估计，他们需要一种材料，在处理每克超过5安培的充电电流的情况下，可以达到类似的存储水平。

这种新材料有一些令人印象深刻的统计数据。当以与典型锂离子电池相似的速度充电时，它的存储密度大约是现有锂电池的三倍。当充电速度与他们的快速充电目标所需的速度相似时，充电密度仍接近800毫安-小时/克，领先于锂电池。它甚至可以处理两倍以上的费率，而不会大幅降低运力。而且，至关重要的是，这些数字是在2000次充放电循环后得出的，这表明电池相当耐用。

这些只是单个电极的性能，而不是整个电池的性能。但研究小组也将其中一个放在一起，其性能与单独使用电极的性能相似。

像这样的技术最终不能推向市场的原因有很多，从制造容易到与制造商业上可行的产品所需的其他组件的集成度不高，不一而足。但在这个案例中，一种材料已经被认为是有希望的，但就是没有发挥出这种潜力。而且，通过证明限制它可以被克服的问题，这项研究提供了一些迹象，即使这种特殊的配方不起作用，也有可能用更有利于制造的材料来解决同样的问题。