华中科技孙永明AEM: 通过电子 / 离子混合导电添加剂工程提升锂离子电池中厚电极的快速充电能力

文章总结

    实现具有高能量密度的锂离子电池（LIBs）要求负极具备高负载量和大厚度。然而，由于锂离子在整个电极深度范围内的传输能力较差，这给快速充电带来了巨大挑战，会导致容量降低、寿命缩短以及潜在的安全隐患。在此，研究人员提出了一种替代策略，即使用电子 / 离子混合导电添加剂来取代传统的导电剂。这种特殊的添加剂呈现为包覆有超薄红磷纳米层（约 2 纳米）的炭黑（CB）颗粒（CB - P），在电池运行过程中，这些颗粒会原位转化为包覆有稳定超薄磷化锂（Li₃P）纳米层的炭黑颗粒。得益于显著增强的锂传导性，与炭黑添加剂相比，Li₃P 的引入使得表观锂迁移数显著增加，离子电导率相近（分别为 0.67 和 0.42，5.2 和 4.1 mS cm⁻¹）。值得注意的是，采用石墨负极和 CB - P 添加剂的软包电池，在负极高负载量为 14.4 mg cm⁻²（0.5C 倍率下为 4.4 mAh cm⁻²）的情况下，可在 15 分钟内（4C 倍率，相对于 0.5C 倍率）实现 83.5% 的高容量填充率。采用 SiOx 负极和 CB - P 添加剂的全软包电池在 4C 充电倍率下（15 分钟，相对于 0.2C 倍率）可实现 82.1% 的容量恢复。考虑到其与当前电极制备工艺具有出色的兼容性，CB - P 添加剂可直接替代现有电池中的传统炭黑添加剂，推动高能量密度快速充电锂离子电池的应用。

图文简介

快速充电过程中，采用商用导电添加剂的负极（a）和采用电子 / 离子混合导电添加剂的负极（b）的锂传输特性示意图。

a）炭黑（CB）和炭黑 - 磷（CB-P）的拉曼光谱。b）炭黑（CB）和炭黑 - 磷（CB-P）的高分辨率 P 2p X 射线光电子能谱（XPS）。c）炭黑 - 磷（CB-P）的透射电子显微镜（TEM）图像以及相应的元素映射图像。d）炭黑（CB）和炭黑 - 磷（CB-P）的高分辨透射电子显微镜（HRTEM）图像。e）炭黑（CB）和炭黑 - 磷（CB-P）电极在 0.01 至 1 伏（相对于 Li/Li⁺）电压范围内的循环伏安（CV）曲线。f）在 0.01 至 1 伏（相对于 Li/Li⁺）电压范围内循环过程中炭黑 - 磷（CB-P）的转变示意图。g）一个循环后炭黑（CB）和炭黑 - 磷（CB-P）电极的固体电解质界面膜电阻（Rₛₑᵢ）与电荷转移电阻（Rct）的值。h）一个循环后炭黑（CB）和炭黑 - 磷（CB-P）电极的实部阻抗（Zre）与角频率的负二分之一次方（ω⁻¹/²）的低频关系。i）一个循环后炭黑（CB）和炭黑 - 磷（CB-P）体系各自的表观锂迁移数和离子电导率。

a) 两个电极的阳极 / 阴极峰值电流的对数（log i）与扫描速率的对数（log v）之间的线性关系。b) 循环伏安（CV）测量中还原（Re）和氧化（Ox）峰的 b 值比较。c) 通过变温电化学阻抗谱（EIS）测试得到的电荷转移（Rct）的阿伦尼乌斯行为和活化能（Ea）。d) 充电倍率从 0.2C 到 10C 时，NCM622||Gr/CB 和 NCM622||Gr/CB-P 软包电池的快速充电性能。e) NCM622||Gr/CB 和 NCM622||Gr/CB-P 软包电池在 4C 充电倍率下的循环性能。f–h) 快速充电过程后，Gr/CB 电极（f、g）和 Gr/CB-P 电极（h、i）的光学图像和扫描电子显微镜（SEM）图像。

负极高负载量为 14.4 mg cm⁻² 的 NCM622||Gr/CB - P 叠片软包电池在不同充电倍率下的容量 - 循环次数曲线（a）以及相应的充放电曲线（b）。（c）本研究中厚石墨电极与文献报道的厚石墨电极快充能力的对比。叠片式 Ah 级 LCO||Gr/CB - P 软包电池在不同充电倍率下的快充性能（d）以及恒流 / 恒压（CC/CV）充电状态下相应的容量贡献（e）。LCO||SiOx/CB - P 软包电池在不同充电倍率下的快充性能（f）以及相应的电压曲线（g）。（h）LCO||SiOx/CB - P 软包电池在 4C 充电倍率下的循环性能。

论文信息

通讯作者：Yongming Sun

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