圖1：固相電催化的設(shè)計(jì)理念和相關(guān)軟包電池性能 圖片來源：中國科大

來自中國科大的消息顯示，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(tuán)隊(duì)聯(lián)合加州理工洛杉磯分校段鑲鋒教授團(tuán)隊(duì)，在快充型鋰離子電池領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展。該研究對快充型電池產(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。

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(shí)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(fù)極材料中，從而實(shí)現(xiàn)了鋰離子電池在達(dá)到302Wh kg^-1高能量密度的同時實(shí)現(xiàn)9min充電至80%。

以合金化反應(yīng)來存儲鋰離子的負(fù)極材料（如硅、磷等），相對于傳統(tǒng)的石墨負(fù)極具有明顯更高的比容量（>2000 mAh g^-1）。然而這類負(fù)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(fù)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(tuán)隊(duì)提出異質(zhì)原子摻雜催化和進(jìn)化類負(fù)極材料的轉(zhuǎn)化反應(yīng)速率。結(jié)合理論計(jì)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?yàn)楹辖鹦拓?fù)極材料合金化反應(yīng)提供高反應(yīng)活性的位點(diǎn)，促進(jìn)固有化學(xué)鍵的斷裂，使得負(fù)極材料在摻雜位點(diǎn)負(fù)極持續(xù)斷鍵分裂成更多更小的結(jié)構(gòu)單元，為進(jìn)一步的反應(yīng)提高更多的反應(yīng)位點(diǎn)，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(fù)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(shí)現(xiàn)了302Wh kg^-1的能量密度，9min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。