快速（<15 min）及極速（<10 min）充電作為二次電池的關(guān)鍵技術(shù)之一，近年來(lái)引起廣泛關(guān)注并具有巨大的市場(chǎng)前景。在快速充電條件下，電極材料內(nèi)部及界面?zhèn)髻|(zhì)速率有限，導(dǎo)致電池極化增大、金屬沉積、電解液分解等一系列問題，嚴(yán)重影響電池的電化學(xué)性能及安全性。因此，構(gòu)建具有快速體相及界面離子傳輸特性的電極材料，降低電池內(nèi)部離子傳輸主要耗能過程的能壘，對(duì)發(fā)展快速充電技術(shù)具有重要意義。
近日，山東大學(xué)物質(zhì)創(chuàng)制與能量轉(zhuǎn)換科學(xué)研究中心李國(guó)興教授報(bào)道了一種碘化聚丙烯腈快充負(fù)極材料，該材料可以有效提升材料內(nèi)部/界面鋰離子擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)、促進(jìn)電解液去溶劑化過程及消除死鋰，在鋰/鈉離子電池中展現(xiàn)出優(yōu)異的快充性能。
I-PAN骨架的I作為富電子離去基團(tuán)，易與電解液中的PF6-陰離子發(fā)生“親核取代反應(yīng)”生成I-，拉曼/核磁/分子動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)果表明，I-易進(jìn)入電解液溶劑化內(nèi)層并促進(jìn)其去溶劑化過程。 此外，在全電池內(nèi)部電解液溶解的I-發(fā)生I-/I3-可逆反應(yīng)，可以有效消除快充條件下負(fù)極產(chǎn)生的死鋰（2Li+I3-=2Li++3I-；2Li1-xNi0.8Co0.1Mn0.1O2+2xLi++3xI-=2LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2+xI3-）。同時(shí)，I-PAN具有較高的表面電勢(shì)，能夠壓縮雙電層結(jié)構(gòu)，且其內(nèi)赫姆霍茲層（IHP）結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，富含PF6-/I-等陰離子，因此促進(jìn)生成富含LiF/LiI等無(wú)機(jī)組分的SEI膜。其次，I-PAN骨架的C-I鍵可以擴(kuò)張材料內(nèi)部離子傳輸通道并加速Li+傳輸動(dòng)力學(xué)過程。 最終，該I-PAN負(fù)極材料在鋰/鈉離子電池應(yīng)用中，表現(xiàn)出高的可逆比容量、優(yōu)異的倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性。在鋰離子電池中，I-PAN在20 A g-1大電流條件下可逆比容量為228.5 mA h g-1（18 s達(dá)到0.5 A g-1條件下容量的39%），循環(huán)10000圈后容量保持率達(dá)到80.7%；此外，I-PAN||LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2全電池在5 C與10 C（充電時(shí)間：~5 min）大倍率條件下，具有高的可逆比容量（5 C：156.9 mA h g-1；10 C：112.8 mA h g-1），循環(huán)1000圈后容量保持率為85.1%（5 C）與91.4%（10 C）。該工作為快速充電電池電極材料開發(fā)及電極表/界面反應(yīng)機(jī)制研究提供一種新策略。 論文信息 Breaking Mass Transport Limitations by Iodized Polyacrylonitrile Anodes for Extremely Fast-Charging Lithium-Ion Batteries Shaobo Ma, Jingteng Zhao, Qixin Gao, Congying Song, Huang Xiao, Fang Li, Prof. Guoxing Li 文章第一作者是山東大學(xué)博士后馬少博 Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202315564
