Схемы твердотельного электрокатализа и связанные с ним характеристики LIB. Кредит: команда профессора Цзи/Университет науки и технологий Китая
Группа разработала новую стратегию твердотельного электрокатализа в литий-ионных аккумуляторах (LIB), выходящую за рамки парадигмы, ограничивающей электрокатализ интерфейсами жидкость-твердое тело и газ-твердое тело. Их исследование опубликовано в Журнале Американского химического общества.
В LIB широко используются анодные материалы, использующие реакции сплавления для хранения ионов Li, такие как кремний и фосфор, из-за их высокой удельной емкости по сравнению с обычными графитовыми анодами. Однако медленная кинетика литиирования в этих анодных материалах ограничивает производительность LIB при быстрой зарядке.
Более того, во время реакции сплавления анодных материалов с литием реагенты и продукты находятся в твердых фазах, не имея двухфазного интерфейса, обычно требуемого для обычного электрокатализа. Поэтому существует настоятельная необходимость в исследовании электрокатализа в твердотельных реакциях.
Для решения этой проблемы команда использовала гетероатомное легирование, в частности бор для кремния и серу для фосфора, для ускорения реакций легирования Li в твердотельном электродном материале. Теоретические расчеты и рентгеновская абсорбционная спектроскопия (XAS) показали, что критическая концентрация легирования гетероатома (1~5 атомных %) может обеспечить высокоактивные центры для реакций легирования анодных материалов, способствуя внутреннему разрыву химических связей. Этот разрыв связей в легированных центрах заставляет анодные материалы непрерывно разделяться на более мелкие элементарные ячейки, создавая больше реактивных центров и улучшая динамику реакции.
Команда успешно применила эту стратегию для создания сверхбыстрозаряжаемой батареи, состоящей из анода из легированного серой черного фосфора (S/bP), соединенного с катодом из оксида лития-кобальта (LCO). Батарея продемонстрировала впечатляющую производительность, перезарядив 80% своей энергии за 9 минут с плотностью энергии 302 Вт·ч·кг-1, превзойдя ранее зарегистрированные LIB. Более того, эта сверхбыстрозаряжаемая производительность оставалась стабильной на протяжении более 300 циклов.
Это исследование позволяет использовать электрокатализ в твердотельных реакциях, что означает важный шаг к технологии высокоэнергетических и быстрозаряжаемых батарей, демонстрируя большой потенциал для промышленного применения. Исследование проводилось под руководством профессора Цзи Хэнсина и профессора У Сяоцзюня из Китайского университета науки и технологий (USTC) в сотрудничестве с командой профессора Дуань Сянфэна из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе.
Дополнительная информация: Эн Чжоу и др., Твердотельный электрокатализ в аноде из легированного гетероатомами сплава обеспечивает сверхбыструю зарядку литий-ионных аккумуляторов, Журнал Американского химического общества (2024). DOI: 10.1021/jacs.4c03680
Информация о журнале: Журнал Американского химического общества Предоставлено Китайским университетом науки и технологий
