新型电催化策略实现锂离子电池超快速充电

一个团队开发出了一种锂离子电池(LIB)固态电催化的新策略，突破了将电催化限制在液固和气固界面的范式。他们的研究发表在《美国化学学会杂志》上。

在锂离子电池中，利用合金化反应储存锂离子的阳极材料(如硅和磷)由于比传统石墨阳极具有较高的比容量而被广泛使用。然而，这些阳极材料中缓慢的锂化动力学限制了锂离子电池的快速充电性能。

此外，在负极材料的锂合金化反应中，反应物和产物均处于固相状态，缺乏常规电催化所要求的两相界面，因此迫切需要探索固相反应中的电催化。

为了应对这一挑战，该团队采用了杂原子掺杂，特别是用硼掺杂硅，用硫掺杂磷，以加速固态电极材料中的锂合金化反应。理论计算和 X 射线吸收光谱 (XAS) 表明，临界杂原子掺杂浓度(1~5 原子%)可以为阳极材料的合金化反应提供高活性位点，促进内在化学键断裂。掺杂位点的这种键断裂导致阳极材料不断分裂成更小的晶胞，从而产生更多的反应位点并增强反应动力学。

该团队成功应用这一策略，制造出一种超快速充电电池，由硫掺杂黑磷 (S/bP) 阳极和锂钴氧化物 (LCO) 阴极组成。该电池表现出令人印象深刻的性能，可在 9 分钟内充电 80%，能量密度为 302 Wh kg-1，超过了之前报道的 LIB。此外，这种超快速充电性能在 300 多次循环中保持稳定。

该项研究实现了固态反应中的电催化，标志着高能快充电池技术迈出了关键一步，具有巨大的工业应用潜力。该项研究由中国科学技术大学姬恒星教授和吴小军教授牵头，与加州大学洛杉矶分校段祥峰教授团队合作完成。