作者:孙永明等 来源:《自然—能源》 发布时间:2023/10/31 13:49:45
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极速快充、超长寿命的“蓝”石墨基锂电池

 

2023年10月30日,华中科技大学武汉国家光电研究中心孙永明教授课题组在Nature Energy期刊上发表了一篇题为“Fast-charging capability of graphite-based lithium-ion batteries enabled by Li3P-based crystalline solid-electrolyte interphase”的研究成果。

该成果报道了一种具有连续晶态Li3P基固态电解质界面膜(SEI)的“蓝”石墨负极,实现了锂离子电池的极速充电和长循环寿命。论文的通讯作者是孙永明;第一作者是涂水彬、张宝。

石墨负极的发明极大推动了锂离子电池的大规模商业化应用。充电速度、循环寿命和能量密度等是锂离子电池最重要的性能参数。然而,现有商业石墨负极基锂离子电池很难在不牺牲电池的能量密度、循环寿命和安全性的情况下实现快速充电。究其原因,石墨负极表面缓慢的电化学反应过程极大限制了电池的充电速率,包括Li+在石墨负极固体电解质界面膜(SEI)表面的去溶剂化和Li+在SEI中的传输过程。

在这项工作中,孙永明教授课题组研究了不同SEI组分对Li+去溶剂化的影响规律。研究揭示,Li3P对Li+具有高亲和能,能够促进负极界面处Li+的传输动力学。基于以上结果,作者利用S对P的“桥接”效应,在石墨表面构筑了超薄的P包覆层,制备出一种蓝色石墨(“蓝”石墨);电池首次循环时,“蓝”石墨表面原位生成连续的晶态高离子导电性Li3P基SEI;LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2(NCM622)||“蓝”石墨软包电池具有极速快充电性能(10分钟和6分钟可分别充满91.2%和80%的电量)以及在快充条件下(6 C)令人满意的循环性能(~1 Ah,2000次循环,容量保持率82.9%)。作者制作了~3 Ah的电池装配到手机中用于驱动手机,10分钟充电可实现充电至90.3%电量,进一步证明了“蓝”石墨是一种性能优异的快充锂电池负极。

图1:不同SEI组分界面处Li+溶剂化结构的理论模拟。

图2:“蓝”石墨的制备及表征。

图3:不同石墨(普通石墨、“蓝”石墨)负极SEI的形貌、组分以及动力学性质。

图4:NCM622||“蓝”石墨和NCM622||普通石墨软包电池的电化学性能以及石墨负极在经历快充循环后的结构和形貌表征。

图5:NCM622||“蓝”石墨叠片软包电池的电化学性能。

考虑到“蓝”石墨具有优异的电化学性能、合成方法简单便捷以及原材料成本低廉等优势,因此其具有潜在的巨大实用价值。(来源:科学网)

相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41560-023-01387-5

 
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