華中科技大新研究再次突破鋰離子電池瓶頸

近年來，工程師和材料科學家一直在嘗試創(chuàng)造越來越先進的電池技術(shù)，這些技術(shù)充電速度更快，使用壽命更長，并且可以存儲更多能量。這些電池最終將在電子和能源行業(yè)的發(fā)展中發(fā)揮至關(guān)重要的作用，為市場上各種便攜式設(shè)備以及電動汽車提供動力。

鋰離子電池 （LiB） 是目前全球最廣泛使用的電池，為我們?nèi)粘Ｊ褂玫拇蠖鄶?shù)電子產(chǎn)品提供動力。因此，確定可擴展的方法來提高這些電池的充電速度是能源領(lǐng)域的主要目標之一，因為它不需要改用全新的電池成分。

中國華中科技大學的研究人員最近提出了一種開發(fā)含有石墨基材料的快速充電鋰電池的新策略。他們提出的電池設(shè)計在《自然能源》雜志上發(fā)表的一篇論文中概述，被發(fā)現(xiàn)可以成功地加快鋰電池的充電時間，同時也使它們即使在充電數(shù)千次后也能保留大部分容量。

研究揭示，Li3P對Li+具有高親和性，能夠促進負極界面處Li+的傳輸動力學。低溶劑配位的 Li +溶劑化結(jié)構(gòu)可以在無機物質(zhì)的內(nèi)亥姆霍茲平面附近誘導產(chǎn)生。具體來說，相比之下，Li 3 P 可以通過 SEI實現(xiàn)更低的 Li +去溶劑化勢壘和更快的 Li +擴散能力到常規(guī) SEI 組件。

本質(zhì)上，研究人員進行了一系列測試，以評估各種固體電解質(zhì)界面（SEI）成分如何影響所謂的Li +溶劑化結(jié)構(gòu)，從而減少電池充電所需的時間。最終，他們確定了一種材料組合，可以提高所謂的 Li +去溶劑化過程的效率，從而使 Li +離子能夠快速遷移穿過 SEI。

然后，該團隊發(fā)現(xiàn)了一種基于稱為 PS 石墨的材料的有前途的陽極，該材料由石墨表面頂部的超薄磷層組成。他們制造了這些陽極并將其集成到鋰電池中，然后通過實驗評估其性能。

基于以上結(jié)果，作者利用S對P的“橋接”效應(yīng)，在石墨表面構(gòu)筑了超薄的P包覆層，制備出一種藍色石墨（“藍”石墨）；電池首次循環(huán)時，“藍”石墨表面原位生成連續(xù)的晶態(tài)高離子導電性Li3P基SEI；LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2（NCM622）||“藍”石墨軟包電池具有極速快充電性能（10分鐘和6分鐘可分別充滿91.2%和80%的電量）以及在快充條件下（6 C）令人滿意的循環(huán)性能（~1 Ah，2000次循環(huán)，容量保持率82.9%）。

作者制作了~3 Ah的電池裝配到手機中用于驅(qū)動手機，10分鐘充電可實現(xiàn)充電至90.3%電量，進一步證明了“藍”石墨是一種性能優(yōu)異的快充鋰電池負極?？紤]到“藍”石墨具有優(yōu)異的電化學性能、合成方法簡單便捷以及原材料成本低廉等優(yōu)勢，因此其具有潛在的巨大實用價值。

圖1. 不同SEI組分界面處Li+溶劑化結(jié)構(gòu)的理論模擬。

圖2. “藍”石墨的制備及表征。

圖3.不同石墨（普通石墨、“藍”石墨）負極SEI的形貌、組分以及動力學性質(zhì)。

圖4. NCM622||“藍”石墨和NCM622||普通石墨軟包電池的電化學性能以及石墨負極在經(jīng)歷快充循環(huán)后的結(jié)構(gòu)和形貌表征。

圖5. NCM622||“藍”石墨疊片軟包電池的電化學性能。