中科大季恒星/金洪昌教授团队最新Angew：利用磷的“吞噬效应”抑制高能量密度电池体系中正极过渡金属离子串扰问题!- 大数跨境

首页

中科大季恒星/金洪昌教授团队最新Angew：利用磷的“吞噬效应”抑制高能量密度电池体系中正极过渡金属离子串扰问题!

科学材料站

2025-11-14

导读：中科大季恒星/金洪昌教授团队最新Angew：利用磷的“吞噬效应”抑制高能量密度电池体系中正极过渡金属离子串扰问题!

科学材料站

文章信息

磷增强负极：高能量密度锂离子电池中过渡金属离子串扰的可扩展解决方案

第一作者：徐泽泰，李昊潼

通讯作者：金洪昌*，季恒星*

单位：中国科学技术大学

科学材料站

研究背景

高能量密度锂离子电池通常采用高电压过渡金属氧化物正极（如高镍层状材料、LNMO、LRMO）与石墨或硅负极，能量密度可超过 400 Wh kg⁻¹。
然而，这些电池在循环过程中，尤其是在 >4.3 V 的高电压下，正极材料会发生Jahn-Teller畸变，导致过渡金属离子（如 Ni²⁺、Co²⁺、Mn²⁺）溶解到电解液中。
这些溶解的过渡金属（TM）离子会迁移到负极表面，催化电解液分解、破坏SEI膜、持续消耗活性锂，并增加界面阻抗，导致电池容量衰减、循环寿命缩短，甚至引发锂枝晶生长，带来安全隐患。
目前主要解决方案集中在正极掺杂/包覆和电解液优化，但这些方法无法完全阻止TM离子对负极的损害。

科学材料站

文章简介

近日，来自中国科学技术大学的季恒星教授团队，在国际知名期刊Angewandte Chemie International Edition上发表题为“Phosphorus-Enhanced Anodes: A Scalable Solution to Transition-Metal Ion Crosstalk in High-Energy Lithium-Ion Batteries”的文章。该文章研究针对高能量锂离子电池中“过渡金属离子串扰”这一关键失效问题，提出了一种创新性的解决方案。研究发现，磷（P）材料对从正极溶解并迁移至负极的过渡金属离子（如Mn²⁺、Ni²⁺、Co²⁺）具有独特的“吞噬效应”，能将其吸收至体相内部，而非任由其沉积在负极表面催化电解液分解和破坏固态电解质界面膜（SEI）。基于此，研究者设计了一种简单的磷增强复合负极，仅需在传统石墨或硅负极中掺入少量磷（最低2 wt.%），即可显著提升电池对过渡金属离子的耐受性。该策略在不改变现有电池制造工艺的前提下，大幅延长了电池循环寿命，为开发下一代高能量密度、长寿命锂离子电池提供了一条具有产业化前景的新路径。

图1：a) Gr 阳极与 NCM523 阴极在半电池中的恒电流充放电曲线，以及对应的 Gr||NCM523 全电池的恒电流充放电曲线。b) P 阳极与 NCM523 阴极在半电池中的恒电流充放电曲线，以及对应的 P||NCM523 全电池的恒电流充放电曲线。c) Gr||NCM523 和 P||NCM523 电池在不同 Mn²⁺浓度电解液中循环后的容量保持率。d) Gr||NCM523 电池在无 TM 离子和含 20 mM TM 离子（Mn²⁺、Ni²⁺、Co²⁺）电解液中的库仑效率和循环稳定性。e) P||NCM523 电池在无 TM 离子和含 20 mM TM 离子（Mn²⁺、Ni²⁺、Co²⁺）电解液中的库仑效率和循环稳定性。f) 以 P 阳极和 Gr 阳极分别与 LNMO 阴极配对的全电池能量密度比值，表示为 P 阳极容量的函数。插图显示 Gr||LNMO 和 P||LNMO 电池的充放电曲线。g) Gr||LNMO 和 P||LNMO 电池在 0.3C 倍率下的库仑效率和循环稳定性。

图2：每个子图上方为充电曲线，下方为对应的dQ/dV微分容量曲线：Gr||NCM523电池：a) 不含过渡金属离子，b) 含20 mM Mn²⁺，c) 含20 mM Ni²⁺，d) 含20 mM Co²⁺。同时展示P||NCM523电池的dQ/dV曲线：e) 无过渡金属离子，f) 含20 mM Mn²⁺，g) 含20 mM Ni²⁺，h) 含20 mM Co²⁺。

图3：a) 在不含 TM 离子电解液中循环 50 次后，Gr 阳极上选定碎片的 ToF-SIMS 深度剖面。b) 在含 20 mM Mn²⁺电解液中循环 50 次后，Gr 阳极上选定碎片的 ToF-SIMS 深度剖面。c) 循环后 Gr 阳极的 HRTEM 图像及相应的元素分布图。d) 在无 TM 离子电解液中循环 50 次后，P 电极上选定碎片的 ToF-SIMS 深度剖面。e) 在含 20 mM Mn²⁺电解液中循环 50 次后，P 电极上选定碎片的 ToF-SIMS 深度剖面。f) 循环后 P 阳极的 HRTEM 图像及相应的元素分布图。g) 使用含 20 mM Mn²⁺电解液的 Gr||NCM523 电池中 Gr 阳极的界面结构示意图。h) 使用含 20 mM Mn²⁺电解液的 P||NCM523 电池中 P 阳极的界面结构示意图。

图4：a) 在含 50 mM Mn²⁺电解液中循环 10 次后，P 电极表面 Mn 2p 能级的 XPS 谱图。b) 在含 50 mM Mn²⁺电解液中循环 10 次后，P 电极溅射 180 秒后 Mn 2p 能级的 XPS 谱图。c) 在含 50 mM Mn²⁺电解液中循环 10 次后，P 电极上选定碎片（包括 MnP-）的 ToF-SIMS 深度剖面。d) 计算得到的 Mn 与红磷体相相对位置的能量变化，分为四个不同状态：状态 1、状态 2、状态 3、状态 4。e) 状态 4 下红磷体相在吞噬 Mn 离子过程中的电荷密度分布。f) 状态 4 对应的 PDOS 计算。

图5：a) 过渡金属离子在Gr和P颗粒间串扰效应的示意图。b) Gr/P-2%复合阳极与NCM523阴极在半电池中的恒电流充放电曲线，以及对应Gr/P-2%||NCM523全电池的恒电流充放电曲线。c) 在含20 mM Mn²⁺电解液中循环的Gr/P-2%||NCM523电池的库伦效率和循环稳定性。d) Gr/P-2%||NCM523电池在20 mM Mn²⁺环境下的dQ/dV微分容量曲线。e) Si/P-10%复合阳极与NCM523阴极在半电池中的恒电流充放电曲线，以及对应Si/P-10%||NCM523全电池的恒电流充放电曲线。f) 在含20 mM Mn²⁺电解液中循环的Si/P-10%||NCM523电池的库伦效率和循环稳定性。g) Si/P-10%||NCM523电池在20 mM Mn²⁺环境下的dQ/dV微分容量曲线。

科学材料站

本文要点

要点一：提出“磷的吞噬效应”

磷材料具有独特的“吞噬”TM离子的能力，能将TM离子吸收到其体相中，而非让其沉积在负极表面。
这种效应源于磷与TM离子之间极强的化学键合作用（如形成 Mn─P、Ni─P、Co─P 键）。

要点二：构建磷增强复合负极

在石墨或硅负极中仅需添加2 wt.% 的磷，即可显著提升对TM离子的耐受性。
实验表明，在含20 mM Mn²⁺的电解液中，Gr/P-2% 和 Si/P-10% 全电池在50次循环后仍能保持92.2%和98.0%的容量，远优于未添加磷的对照组。

要点三：系统表征与机理验证

通过ToF-SIMS、XPS、HRTEM等手段，证实磷负极中TM离子被均匀分布在其体相中，而非富集在SEI层。
理论计算表明，TM离子在磷体相中的嵌入是能量有利的过程，且电子注入促进TM离子向体相迁移。

要点四：电化学性能提升

磷增强负极与高电压正极（如LNMO）搭配时，展现出更高的能量密度（415 Wh kg⁻¹）和优异的循环稳定性（100次循环后容量保持率95.9%）。
磷的加入有效抑制了TM离子诱导的电解液分解和SEI破裂，提升了库仑效率和循环寿命。

要点五：工艺兼容性与可扩展性

磷增强负极可通过常规电极制备工艺实现，易于集成到现有锂离子电池制造流程中，具备产业化应用潜力。

科学材料站

文章链接

Phosphorus-Enhanced Anodes: A Scalable Solution to Transition-Metal Ion Crosstalk in High-Energy Lithium-Ion Batteries

https://doi.org/10.1002/anie.202518717

科学材料站

通讯作者简介

季恒星教授简介：中国科学技术大学教授，博士生导师，国家杰出青年科学基金获得者。现任中国科学技术大学碳中和研究院副院长，应用化学系党总支书记。2003年7月在中国科学技术大学应用化学系取得学士学位，2008年7月在中国科学院化学研究所取得博士学位，师从万立骏院士；2008年7月至2010年8月在德国莱布尼茨固态与材料研究所任洪堡学者，2010年9月至2013年7月在美国德克萨斯州大学奥斯汀分校从事博士后研究，2013年8月加入中国科学技术大学化学与材料学院任教，并从事能源电化学研究。归国工作以来，作为（共同）通讯作者在Science、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.等化学和材料领域SCI期刊发表学术论文多篇，论文总引用16000余次，H-index 60；中国化学会和国际电化学会会员，担任J. Energy Chem.、Chn. Chem. Lett.、《电化学》杂志编委，主持国家杰出青年科学基金、国家自然科学基金委联合基金重点项目、国际合作项目和面上项目，曾荣获安徽省自然科学一等奖（第一完成人）、中国化学会首届“利华益”化学创新奖、中国科学院“优秀导师奖”、中国科学技术大学“杰出研究校长奖”，研究成果入选教育部2020年度“中国高校十大科技进展”。

金洪昌副教授简介：中国科学技术大学化学与材料科学学院特任教授，中组部青年拔尖人才。主要从事低温快充锂离子电池负极材料结构设计和锂化动力学性质研究。近五年作为第一作者和共同通讯作者在Science、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Small、ACS Applied Mater. Inter.等学术期刊发表SCI论文12篇。申请发明专利9项。作为项目主持人承担国家基金委青年科学基金和面上项目、主持安徽省杰出青年基金。获得“仲英青年学者”；2022年安徽省自然科学一等奖（第二完成人）；2021年中国科学院优秀博士论文；研究成果入选教育部2020年度“中国高校十大科技进展”。

科学材料站

第一作者简介

徐泽泰，中国科学技术大学博士生

李昊潼，中国科学技术大学博士生

科学材料站

课题组介绍

课题组具有国内一流的工作平台，具有XRD、SEM、原位Raman、电化学石英微晶天平等仪器设备，拥有-40露点干燥房的软包电池制备实验室，与合肥、北京、台湾同步辐射光源以及头部电池企业长期保持合作关系，具有良好的开展科学研究的实验条件。

科学材料站

课题组招聘

中国科学技术大学化学与材料科学学院季恒星教授课题组因科研工作需要，现诚招博士后若干名。课题组长期从事能源化学和能源材料的研究，致力于兼顾高能量/功率密度及优良宽温域性能的锂离子电池和锂金属电池的电化学原理、关键电极材料和电极结构的研究，以及关键电极材料的规模化制备技术开发。欢迎国内外具有相关研究背景的优秀博士毕业生加盟。更多相关信息请参见教师主页（http://faculty.ustc.edu.cn/jihengxing）谷歌学术（https://scholar.google.com/citations?user=GSJx8oMAAAAJ&hl=zh-CN）。有意向请联系盛老师：fiver@mail.ustc.edu.cn，并抄送：jihengx@ustc.edu.cn请在邮件主题注明：博士后申请+本人姓名+毕业院校。