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李玉良院士/李國興Angew：自膨脹鋰離子傳輸通道實(shí)現(xiàn)鋰電池的6C快充

負(fù)極材料中緩慢的鋰離子輸運(yùn)動力學(xué)引發(fā)了巨大的電壓極化和嚴(yán)重的鋰金屬電鍍，極大地限制了快速充電鋰離子電池的循環(huán)壽命和能量密度。

在此，中科院化學(xué)所李玉良院士及山東大學(xué)李國興教授等人提出了一種自膨脹鋰離子傳輸通道的新思路，以構(gòu)建快速充電負(fù)極并實(shí)現(xiàn)高性能的快速充電鋰離子電池。

在循環(huán)過程中通過與鋰離子的相互作用驅(qū)動負(fù)極中不同鍵長化學(xué)鍵的自可逆轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)自擴(kuò)展鋰離子輸運(yùn)通道，降低鋰離子傳輸?shù)哪軌静⒃试S快速的鋰離子固態(tài)擴(kuò)散，因此有效地消除了嚴(yán)重的電壓極化和鋰金屬鍍層。作者通過石墨二炔（GDY）表面化學(xué)鍵自可逆轉(zhuǎn)化進(jìn)行了概念驗(yàn)證，GDY是通過乙炔交叉偶聯(lián)反應(yīng)制備的，使用六乙炔苯（HEB）作為前體。

圖1. 自膨脹離子傳輸通道的概念和GDY的結(jié)構(gòu)表征

結(jié)果顯示，上述特性有效地減少了嚴(yán)重的電壓極化并防止了快速充電條件下的鋰金屬鍍層。加上適當(dāng)?shù)钠骄ぷ麟妷海?.6 V）和優(yōu)異的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，與其他負(fù)極（石墨、LTO、Li₃VO₄等）相比，GDY負(fù)極具有高容量、長循環(huán)壽命和優(yōu)異的容量保持率。在極快充電條件下（6 C倍率，1 C = 744 mA g^-1），其具有高容量（342 mAh g^-1）和超長壽命（22000次循環(huán)）的卓越性能。

此外，GDY||NCM622全電池也具有非常穩(wěn)定的循環(huán)性能，在3C和6C倍率的快充條件下500 次循環(huán)后容量保持率分別為93%和83%。這些結(jié)果為設(shè)計(jì)具有自調(diào)節(jié)離子傳輸通道和顯著增強(qiáng)離子固態(tài)擴(kuò)散動力學(xué)的新型快速充電負(fù)極材料提供了參考。

圖2. GDY負(fù)極的快速充電性能

Self-Expanding Ion-Transport Channels on Anodes for Fast-Charging Lithium-Ion Batteries, Angewandte Chemie International Edition 2021. DOI: 10.1002/anie.202113313

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