近日，中國科學技術大學化學與材料科學學院季恒星教授、武曉君教授團隊聯合加州理工洛杉磯分校段鑲鋒教授團隊，在快充型鋰離子電池領域取得突破性進展。研究人員成功突破傳統意義上固/液、固/氣等兩相界面上的電催化模型，實現了一種全新的“固相電催化”，并成功將該策略應用于純固相反應的負極材料中，從而實現了鋰離子電池在達到302 Wh kg^-1高能量密度的同時實現9 min充電至80%。相關成果以“Solid-State Electrocatalysis in Heteroatom-Doped Alloy Anode Enables Ultrafast Charge Lithium-Ion Batteries”為題于7月17日發表于J. Am. Chem. Soc.上。

圖1：固相電催化的設計理念和相關軟包電池性能

以合金化反應來存儲鋰離子的負極材料（如硅、磷等），相對于傳統的石墨負極具有明顯更高的比容量（>2000 mAh g^-1）。然而這類負極材料存儲鋰離子過程中遲緩的鋰化反應動力學是限制該材料體系快充性能的主要因素。電化學研究中常選用電催化的策略來提高反應動力學，然而合金化反應電極材料的鋰化反應過程中，反應物和生成物是完全的固相接觸，反應物和生成物之間不存在常規電催化所需要的兩相界面。因此催化合金化反應負極材料和鋰離子的反應動力學目前仍然是研究空白。

針對以上問題，季恒星教授聯合武曉君和段鑲鋒教授團隊提出異質原子摻雜催化和進化類負極材料的轉化反應速率。結合理論計算和原位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）能夠為合金型負極材料合金化反應提供高反應活性的位點，促進固有化學鍵的斷裂，使得負極材料在摻雜位點負極持續斷鍵分裂成更多更小的結構單元，為進一步的反應提高更多的反應位點，從而降低反應阻抗，提高反應動力學。將合成的硫摻雜磷負極（S/bP）和商用的鈷酸鋰（LCO）正極配對組裝的軟包電池，成功實現了302 Wh kg^-1的能量密度，9 min充電至80%的容量，并且該快充性能能夠穩定循環超過300圈，

中國科學技術大學周恩（博士）、金洪昌（副教授）為論文共同第一作者。該研究是季恒星教授團隊在高功率、高能量鋰離子電池領域的最新成果，對快充型電池產業化和新型電催化反應的基礎研究具有推動作用。該工作受到國家自然科學基金委、國家科技部、中國科學院戰略型先導科技專項基金、中央高校基礎科研基金的支持。

附文章鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.4c03680

（化學與材料科學學院、合肥微尺度物質科學國家研究中心、科研部）