近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院季恒星教授、武曉君教授團隊聯(lián)合加州理工洛杉磯分校段鑲鋒教授團隊，在快充型鋰離子電池領(lǐng)域取得突破性進展。研究人員成功突破傳統(tǒng)意義上固/液、固/氣等兩相界面上的電催化模型，實現(xiàn)了一種全新的“固相電催化”，并成功將該策略應(yīng)用于純固相反應(yīng)的負極材料中，從而實現(xiàn)了鋰離子電池在達到302 Wh kg-1高能量密度的同時實現(xiàn)9 min充電至80%。相關(guān)成果以“Solid-State Electrocatalysis in Heteroatom-Doped Alloy Anode Enables Ultrafast Charge Lithium-Ion Batteries”為題于7月17日發(fā)表于J. Am. Chem. Soc.上。
圖1：固相電催化的設(shè)計理念和相關(guān)軟包電池性能
以合金化反應(yīng)來存儲鋰離子的負極材料（如硅、磷等），相對于傳統(tǒng)的石墨負極具有明顯更高的比容量（>2000 mAh g-1）。然而這類負極材料存儲鋰離子過程中遲緩的鋰化反應(yīng)動力學(xué)是限制該材料體系快充性能的主要因素。電化學(xué)研究中常選用電催化的策略來提高反應(yīng)動力學(xué)，然而合金化反應(yīng)電極材料的鋰化反應(yīng)過程中，反應(yīng)物和生成物是完全的固相接觸，反應(yīng)物和生成物之間不存在常規(guī)電催化所需要的兩相界面。因此催化合金化反應(yīng)負極材料和鋰離子的反應(yīng)動力學(xué)目前仍然是研究空白。
針對以上問題，季恒星教授聯(lián)合武曉君和段鑲鋒教授團隊提出異質(zhì)原子摻雜催化和進化類負極材料的轉(zhuǎn)化反應(yīng)速率。結(jié)合理論計算和原位X射線吸收譜測試，可以得到以下物理圖像（圖1）：少量的雜原子摻雜（1~5%原子比）能夠為合金型負極材料合金化反應(yīng)提供高反應(yīng)活性的位點，促進固有化學(xué)鍵的斷裂，使得負極材料在摻雜位點負極持續(xù)斷鍵分裂成更多更小的結(jié)構(gòu)單元，為進一步的反應(yīng)提高更多的反應(yīng)位點，從而降低反應(yīng)阻抗，提高反應(yīng)動力學(xué)。將合成的硫摻雜磷負極（S/bP）和商用的鈷酸鋰（LCO）正極配對組裝的軟包電池，成功實現(xiàn)了302 Wh kg-1的能量密度，9 min充電至80%的容量，并且該快充性能能夠穩(wěn)定循環(huán)超過300圈，
中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)周恩（博士）、金洪昌（副教授）為論文共同第一作者。該研究是季恒星教授團隊在高功率、高能量鋰離子電池領(lǐng)域的最新成果，對快充型電池產(chǎn)業(yè)化和新型電催化反應(yīng)的基礎(chǔ)研究具有推動作用。該工作受到國家自然科學(xué)基金委、國家科技部、中國科學(xué)院戰(zhàn)略型先導(dǎo)科技專項基金、中央高?；A(chǔ)科研基金的支持。
附文章鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.4c03680
（化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院、合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心、科研部）
