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华为黑磷 | 比肩石墨烯的“梦幻材料”未来几何？

题材一哥

全梭哈的老韭菜

2024-10-30 14:10:34 四川省

来源：中国科学院、华为技术有限公司、深圳发布、解放日报

☆ 华为黑磷电池技术 ☆

近年来，中国在电池领域的发展备受瞩目，特别是华为最近曝光的黑磷电池专利，为中国新能源技术的进步注入了新的动力。除了传统的锂电池，黑磷电池作为一种新型锂离子电池技术备受瞩目。

华为黑磷电池究竟有何过人之处，能够挑战现有的市场格局呢？

与传统材料相比，黑磷具有更高的理论比容量和循环稳定性，有望提高电池的能量密度和循环寿命，改善电池性能。

首先，黑磷电池拥有极高的能量密度。相较于传统的锂离子电池，黑磷电池的能量密度提升了近一倍，这意味着同样的体积和重量下，黑磷电池能够储存更多的能量。

其次，黑磷电池的充电速度极快。传统的锂离子电池充电需要数小时，而黑磷电池则能在短短几分钟内充满电。这一特点将极大提升设备的使用效率，让用户不再为等待充电而烦恼。

再者，黑磷电池的使用寿命长。由于黑磷材料具有出色的化学稳定性，使得黑磷电池在循环充放电过程中的衰减非常小，因此其使用寿命将远超传统的锂离子电池。

黑磷电池

最后，其高安全性也将为电池行业带来新的发展契机。传统的锂离子电池在过热、过充等极端条件下存在爆炸的风险，而黑磷电池则能有效抑制这种情况的发生，为用户提供更加安全可靠的电池产品。如今，手机和汽车已成为人们生活中不可或缺的物品，但电池技术仍然是它们的“软肋”。作为行业领头羊之一，近期华为申请了一项关于黑磷电池技术的专利，这项技术或将成为未来新经济数字产业特别是手机和汽车等领域的一大杀器。

☆ Science：黑磷操纵光 ☆

黑磷在许多方面与石墨或石墨烯相似，都具有层状结构。但是石墨烯的层是完全平坦的，而黑磷的层存在褶皱。

这种特殊的晶体结构使黑磷具有显著的光学各向异性。即偏振光沿着不同方向（即垂直或沿着褶皱）入射时，与黑磷的相互作用也不相同。就好像我们用手沿着灯芯绒纹路和垂直纹路方向滑动会感受到不同的作用力一样。

很多材料都具有光学偏振性，但是仅仅有这个性质还不够。黑磷的独到之处在于它是一种半导体材料，正如由硅制成的微型结构可以控制微芯片中的电流一样，由黑磷制成的结构可以在电信号施加到它们身上时控制光的偏振（见下图）。

三原子层厚的黑磷制成的小元件结构示意图

如果进一步把这些小元件组成一个阵列，每一个小元件都可以把偏振转换成不同的反射偏振状态，合起来就可以实现显示效果。

与传统的液晶显示器相比，黑磷阵列的“像素”在尺寸上要小20倍，对输入的响应速度却要快100万倍。

我们在网上看电影或阅读文章可能用不到这样的速度，但它还可能会给电信带来一场革命。在电信设备中，光信号通过光纤传输，不同信号之间的相互干扰会限制传输信号的数量。而基于黑磷薄层的电信设备可以调节每个信号的偏振，避免相互干扰，有利于提高光纤电缆数据传输量。

这项技术还可能为基于光的Wi-Fi替代技术奠定基础，该领域的研究人员将其称为Li-Fi（可见光无线通信），即通过自由空间中的光线实现网络信号的传输。

也许在将来的某一天，你悠闲地坐在咖啡厅里，晨曦透过窗户照在你面前的太阳能笔记本电脑上，一边给它供电，一边给它供网……

☆ 黑磷面对的关键性挑战 ☆

虽然对于黑磷从基础研究到下一代器件的开发研究均已经取得了重大进展，但仍有很多工作仍处于初级阶段，一些关键的重大挑战仍然持续存在。

1）为了满足工业应用的需求，必须考虑大规模生产和工艺集成的技术问题，这在纳米科学和纳米技术领域也起着重要作用。因此，开发低成本、便捷、环保的合成方法来控制BP纳米材料的形状、尺寸和性能显得尤为重要。

2）由于单分散的BP纳米材料在不同维度（如单层BP，尺寸均一BP QD）上难以实现，BP纳米材料的多层次结构与性能关系仍亟需解决。因此，进一步了解BP多层次的生长机理并精确控制其形态是一项艰巨的任务。

3）功能化BP纳米结构，如掺杂BP或BP基合金和异质结，已被证明可以显着提高BP的器件性能。因此，可以借助机器学习的方式，总结并合理设计和精确控制功能化BP，进一步提高基于BP的下一代器件的性能。

4）虽然目前已经建立了全面的理论来研究BP机理并全面了解其固有特性，如光电探测性能和催化活性，但由于BP庞大的结构特征，对较大分子的吸附（如苯或甲苯）及其理论模拟仍然难以通过DFT计算建立。因此，开发更庞大、更全面的模拟计算对掌握分子在BP上的吸附和反应动力学的详细过程具有重要的意义。

5）迄今，对BP光学应用机理的实验和理论分析都在进行中，仍有许多不确定因素需要进一步研究，包括直接观察和清晰描述BP与其他物种之间的电子传递、能量传递和动力学演化过程，以及决定非线性的重要因素（如基本化学和光学性质）等。更先进的原位表征技术，如原位XRD和原位TEM等，可以实时清晰掌握基于BP多层次结构中BP角色中的重要作用，为高效BP基高性能光学器件的新设计提供基础指导。

6）虽然颗粒大小和表面修饰在调节少层BP生物光子学行为中起着关键作用，但它们与其他因素（如运输途径、系统细胞毒性和生物免疫）的关系尚未研究透彻。进一步加深少层BP的专业知识和临床应用亟需化学研究人员、生物医学科学家、药理学家和工业部门的贡献。少层BP纳米技术的不断发展将为生物化学和医学等领域提供无限的应用，并有望来取得更多的基础和技术突破。

☆ 结语 ☆

近年来基于黑磷的研究极大地丰富了光学器件等方面的成果，在光电子器件、非线性光子学、光催化和生物医疗领域具有巨大的潜力。但也持续存在一些关键性问题。但是作为媲美石墨烯的一匹“黑马”，研究者们通过创新合成方法、精确表征技术、精细动力学研究以及深入的理论计算，可以深入了解多层次黑磷结构的基本性质，并实现黑磷的大规模制备及其高性能器件应用的最终目标，最终这匹“黑马”一定会在未来大放异彩，带来技术革新！

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