Avec la demande de plus en plus pressante de batteries à charge ultra-rapide et de haute capacité pour les véhicules à énergie nouvelle et les systèmes de stockage d'énergie à grande échelle, les performances des batteries utilisant des matériaux d'anode traditionnels en graphite approchent de leur limite théorique. Le phosphore noir (BP) en tant que matériau d'anode possède une capacité de stockage du lithium extrêmement élevée, mais souffre de défauts inhérents tels qu'une faible conductivité, une cinétique de réaction lente et une expansion volumique sévère lors des processus de charge et de décharge, entraînant une dégradation rapide des performances de charge rapide de la batterie.
Récemment, l'équipe de Ma Yanwei de cet institut a réussi à surmonter ce goulot d'étranglement technique en proposant une stratégie innovante d'ingénierie des liaisons phosphore-azote (P-N) dans le réseau cristallin, réalisant une charge et une décharge stables du matériau d'anode en phosphore noir à des régimes de charge ultra-élevés, ce qui revêt une importance significative pour promouvoir l'application pratique des batteries à charge rapide à base de BP.
Partant de l'échelle atomique, l'équipe de recherche a construit avec précision des liaisons P-N dans le réseau cristallin de l'anode en phosphore noir, exploitant leur effet d'affaiblissement de la covalence des liaisons phosphore-phosphore (P-P) adjacentes pour induire une rupture locale des liaisons pendant le processus de lithiation, activant ainsi les liaisons P-P, ce qui accélère le transport de charge et améliore considérablement les performances cinétiques de la réaction de conversion. Sur la base de cette percée, l'équipe a réussi à préparer une batterie de type « pouch cell » utilisant le phosphore noir comme anode et le phosphate de fer lithié comme cathode, atteignant une densité énergétique de 282 Wh/kg. Dans des conditions de charge à haut régime, cette batterie peut être chargée à 80 % de sa capacité théorique en seulement 10 minutes, et continue de fonctionner de manière stable après des milliers de cycles de charge et de décharge, démontrant une excellente durabilité en cyclage rapide.
Ce résultat ouvre une voie technique entièrement nouvelle pour la prochaine génération de dispositifs de stockage d'énergie à haute densité énergétique et haute puissance, et fournit un soutien clé pour la mise à niveau itérative des batteries de puissance à charge rapide, du stockage d'énergie sur réseau et des équipements de stockage d'énergie spéciaux à haut régime en Chine. Il revêt une importance stratégique majeure pour promouvoir le développement par bonds des véhicules à énergie nouvelle et des technologies de stockage d'énergie, et pour renforcer la compétitivité internationale de la Chine dans le domaine du stockage d'énergie avancé.
Les travaux de recherche ont été menés conjointement avec l'Université RMIT de Melbourne, en Australie, et les résultats correspondants ont été publiés le 21 avril dans « Nature Communications ». Ces travaux de recherche ont bénéficié du soutien de la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine, de la Fondation des sciences naturelles de Pékin et du Conseil australien de la recherche (ARC).