據山東大學前沿交叉科學青島研究院消息，近日，該院物質創制與能量轉換科學研究中心李國興教授課題組在快速充電電池方面取得新進展，相關研究成果以“Self-Expanding Ion-Transport Channels on Anodes for Fast-Charging Lithium-Ion Batteries”為題發表在國際知名期刊《Angewandte Chemie International Edition》上，并被選為熱點論文（Hot Paper）。山東大學為該論文的第一完成單位。

 

 

快速充電鋰離子電池有望大幅縮短充電時間，加速電動汽車在全球市場的普及。然而，商業化的負極材料因其單一和不可調節的離子傳輸通道導致鋰離子傳輸動力學緩慢，引起巨大的電壓極化和嚴重的析鋰問題，從而極大地降低電池容量和循環壽命。

 

鑒于此，物質創制與能量轉換科學研究中心李國興教授課題組利用“離子通道自擴張”概念構筑了“智能”離子通道調控離子在電極材料中的傳輸行為，加速離子的傳輸，從而在寬溫域內讓鋰離子電池實現優異的快充性能。離子與電極材料中化學鍵的作用是自擴張離子通道的關鍵，在離子/化學鍵相互作用下誘導具有不同鍵長化學鍵的可逆互變，從而實現離子傳輸孔洞孔徑的轉變，改善離子固相傳輸動力學。

 

 

圖：離子通道自擴張加速離子傳輸

研究人員通過對石墨炔材料在快充條件下與鋰離子的作用機制研究進一步驗證了該概念。在嵌鋰過程中，石墨炔豐富的炔鍵在與鋰離子相互作用下向烯鍵轉化，具有不同鍵長的炔鍵-烯鍵互變引起石墨炔內孔洞孔徑的轉變，從而實現鋰離子傳輸通道的可逆自擴張，并顯著降低鋰離子在石墨炔內的擴散能壘，大大提升鋰離子的傳輸速率。以石墨炔作為快充電池負極解決了嚴重極化及析鋰問題，并獲得了優異的快充性能。

 

在極速充電條件下（6C），石墨炔負極材料展現出高容量、長周數循環（15000周），并具有高的容量保持率。尤其在低溫條件下（-10℃），石墨炔負極材料仍展現出優異的快充性能（6C條件下循環20000周，容量保持率為81.3%）。基于石墨炔組裝的全電池在極速充電條件下（6C）循環500周仍具有83%的容量保持率。研究結果表明其性能顯著優于已報道的快充負極材料。

 

該工作提出了全新的構筑快速離子傳輸通道的機理和概念，為設計制備新型快充電池電極材料提供了新的思路和策略，對未來發展穩定、高性能的快速充電電池具有重要指導意義。

 

 

據了解，山東大學前沿交叉科學青島研究院物質創制與能量轉換科學研究中心面向新物質創制、能源儲存與轉化、催化、光電信息等國家重大戰略需求，發展系統性的、原創性的、具有自主知識產權新物質合成以及物質轉化和能量轉換中產生的新知識和新技術，支撐國家重大基礎研究和需求。

 

李國興教授主要從事先進能源材料、新型能量轉換設備（鋰金屬電池、鋰硫電池、鋰離子/鈉離子電池、鋅電池、固態電池等）及新型碳材料等領域的研究，研究領域涉及化學、物理、材料等多個學科，目前主要研究方向包括高性能可充電電池（鋰金屬電池、鋰硫電池、鋅電池等）；快速充電電池；全固態電池；新型共軛碳材料及其在能源領域應用。

 

（資料來源：山東大學前沿交叉科學青島研究院）