Com a crescente e urgente demanda por baterias de carregamento ultrarrápido e alta capacidade em veículos de nova energia e sistemas de armazenamento de energia em larga escala, o desempenho das baterias com materiais de ânodo de grafite tradicionais está se aproximando do limite teórico. O fósforo negro (BP) como material de ânodo possui uma capacidade de armazenamento de lítio extremamente alta, mas devido a defeitos inerentes como baixa condutividade, cinética de reação lenta e expansão volumétrica severa durante os processos de carga e descarga, o desempenho de carregamento rápido da bateria degrada-se rapidamente.
Recentemente, a equipe de Ma Yanwei deste instituto superou com sucesso este gargalo tecnológico, propondo de forma inovadora uma estratégia de engenharia de ligações fósforo-nitrogênio (P-N) na rede cristalina, alcançando carga e descarga estáveis do material de ânodo de fósforo negro em taxas ultra-altas, o que é de grande importância para promover a aplicação prática de baterias de carregamento rápido baseadas em BP.
A equipe de pesquisa partiu da escala atômica, construindo com precisão ligações P-N na rede cristalina do ânodo de fósforo negro. Utilizando seu efeito de enfraquecimento na covalência das ligações fósforo-fósforo (P-P) adjacentes, induziu a quebra de ligações locais durante o processo de litiação, ativando as ligações P-P e, assim, acelerando o transporte de carga e melhorando significativamente o desempenho cinético da reação de conversão. Com base nesse avanço, a equipe preparou com sucesso uma bateria pouch cell usando fósforo negro como ânodo e fosfato de ferro-lítio como cátodo, cuja densidade de energia atingiu 282 Wh/kg. Sob condições de carregamento de alta taxa, esta bateria pode ser carregada até 80% da capacidade teórica em apenas 10 minutos, e ainda opera de forma estável após milhares de ciclos de carga e descarga, demonstrando excelente durabilidade em ciclos de carregamento rápido.
Este resultado abre um caminho técnico completamente novo para a próxima geração de dispositivos de armazenamento de energia com alta densidade energética e alta potência, fornecendo suporte fundamental para a atualização iterativa de baterias de potência de carregamento rápido, armazenamento de energia em rede e equipamentos especiais de armazenamento de alta taxa na China. Possui um significado estratégico importante para impulsionar o desenvolvimento salto das tecnologias de veículos de nova energia e armazenamento de energia, e para aumentar a competitividade internacional da China no campo de armazenamento avançado de energia.
O trabalho de pesquisa foi concluído em conjunto com o Royal Melbourne Institute of Technology da Austrália, e os resultados relacionados foram publicados na revista "Nature Communications" em 21 de abril. A pesquisa recebeu apoio da Fundação Nacional de Ciências Naturais da China, da Fundação de Ciências Naturais de Pequim e do Conselho de Pesquisa Australiano (ARC).