近日，中国科学技术大学化学与材料科学学院季恒星教授、武晓君教授团队联合加州理工洛杉矶分校段镶锋教授团队，在快充型锂离子电池领域取得突破性进展。研究人员成功突破传统意义上固/液、固/气等两相界面上的电催化模型，实现了一种全新的“固相电催化”，并成功将该策略应用于纯固相反应的负极材料中，从而实现了锂离子电池在达到302 Wh kg-1高能量密度的同时实现9 min充电至80%。相关成果以“Solid-State Electrocatalysis in Heteroatom-Doped Alloy Anode Enables Ultrafast Charge Lithium-Ion Batteries”为题于7月17日发表于J. Am. Chem. Soc.上。
图1：固相电催化的设计理念和相关软包电池性能
以合金化反应来存储锂离子的负极材料（如硅、磷等），相对于传统的石墨负极具有明显更高的比容量（>2000 mAh g-1）。然而这类负极材料存储锂离子过程中迟缓的锂化反应动力学是限制该材料体系快充性能的主要因素。电化学研究中常选用电催化的策略来提高反应动力学，然而合金化反应电极材料的锂化反应过程中，反应物和生成物是完全的固相接触，反应物和生成物之间不存在常规电催化所需要的两相界面。因此催化合金化反应负极材料和锂离子的反应动力学目前仍然是研究空白。
针对以上问题，季恒星教授联合武晓君和段镶锋教授团队提出异质原子掺杂催化和进化类负极材料的转化反应速率。结合理论计算和原位X射线吸收谱测试，可以得到以下物理图像（图1）：少量的杂原子掺杂（1~5%原子比）能够为合金型负极材料合金化反应提供高反应活性的位点，促进固有化学键的断裂，使得负极材料在掺杂位点负极持续断键分裂成更多更小的结构单元，为进一步的反应提高更多的反应位点，从而降低反应阻抗，提高反应动力学。将合成的硫掺杂磷负极（S/bP）和商用的钴酸锂（LCO）正极配对组装的软包电池，成功实现了302 Wh kg-1的能量密度，9 min充电至80%的容量，并且该快充性能能够稳定循环超过300圈，
中国科学技术大学周恩（博士）、金洪昌（副教授）为论文共同第一作者。该研究是季恒星教授团队在高功率、高能量锂离子电池领域的最新成果，对快充型电池产业化和新型电催化反应的基础研究具有推动作用。该工作受到国家自然科学基金委、国家科技部、中国科学院战略型先导科技专项基金、中央高校基础科研基金的支持。
附文章链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.4c03680