郑伟涛教授团队Acta Materialia：硼掺杂调控石墨正极-电解质表界面化学，构建稳固的双离子电池- 大数跨境

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郑伟涛教授团队Acta Materialia：硼掺杂调控石墨正极-电解质表界面化学，构建稳固的双离子电池

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2025-01-10

导读：郑伟涛教授团队Acta Materialia：硼掺杂调控石墨正极-电解质表界面化学，构建稳固的双离子电池

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文章信息

硼掺杂调节石墨正极-电解质界面的表面化学性质，构建稳固的双离子电池

第一作者：杨鹤

通讯作者：张伟*、郑伟涛*

通讯单位：吉林大学

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研究背景

双离子电池（DIBs）凭借其独特的储能机理——即同时嵌入阴离子与阳离子，而具有较高的工作电压和电池容量，兼具高能量密度与高功率密度的潜力，因此在新型储能技术领域内备受瞩目。石墨材料，因具备有序的层状结构以及成本低廉等特点，常被视作DIBs的理想正极材料。然而，在阴离子嵌入过程中所需的高电位往往诱发电解质分解，并伴随溶剂分子的共插层现象，这些分子部分会滞留于石墨层间，进而导致石墨晶体结构遭受不可逆的畸变，最终引起电池容量衰减。构建稳定且均匀的正极-电解液界面（CEI）是解决这一问题的关键。一个有效的CEI层能够充当阴极与电解质之间的屏障，有效抑制副反应的发生，从而保障电池的长期稳定运行。目前，关于CEI层的改性研究大多聚焦于电解液成分的优化调整以及电极表面的包覆策略，相比之下，石墨电极边缘面的化学环境则相对受到较少的关注。

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文章简介

基于上述研究背景，吉林大学郑伟涛教授团队张伟教授课题组在Acta Materialia期刊上发表了题为“B-doping tunes surface chemistry of graphite cathode interfaced at electrolyte for optimal anion storage and robust dual-ion batteries”的研究论文。

在此研究中，制备了表面硼掺杂石墨（BDG），并在石墨的边缘面上成功构建了BCO₂配位结构，这一创新显著改善了石墨边缘面的化学环境。通过结合第一性原理计算（DFT）与时间弛豫分布（DRT）的深入分析，本研究有力地证明了BCO₂配位结构能够有效催化电解液组分（EMC和LiPF₆）的解离过程，从而在电池循环初期迅速形成稳定且具高离子电导率的正极-电解液界面（CEI）。得益于这一稳定的CEI层，后续的充放电循环不仅有效缓解了电解液的持续分解问题，还成功维持了电极的体相结构稳定性。

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本文要点

要点一：BDG电极材料的物理表征

成功合成了表面B掺杂的BDG电极材料，此材料依旧保持有序的石墨层状结构，为阴离子的嵌入-脱出提供了结构基础。材料的表面富含B-C配位结构，在其（002）面（即边缘面），BCO₂配位结构占据了主导地位。

图1. BDG电极的物理表征

要点二：对BDG正极的电化学性能及动力学性能的研究

利用构建的BDG||Li半电池系统深入研究了BDG电极的电化学性能。实验结果显示，BDG电极展现出更低的阴离子嵌入电位、良好的可逆性、优异的倍率性能以及出色的循环稳定性。通过DFT计算揭示，BDG表面阴离子较低的吸附能有效降低了阴离子的嵌入电势。此外，基于不同温度下的阻抗分析所得活化能数据，发现阴离子在BDG电极表面的电荷转移势垒显著降低。上述研究结果证明，BDG电极的独特表面结构显著提升了阴离子的传输速率。

图2. BDG电极的电化学表征

图3. BDG电极的动力学表征

要点三：BDG诱导的CEI层的结构及离子传输性质的探究

通过不同电位阻抗的DRT映射，深入探究了电极初期CEI层的动态演变过程。研究结果显示，BDG电极表面所形成的CEI层展现出优异的的离子传输能力和出色的稳定性。进一步通过DFT计算发现，电极组分在BDG边缘面具有更低的解离能，这促使在电极反应初期能够迅速形成稳定的CEI层，有效抑制了电解液的持续分解现象。值得注意的是，BDG表面的CEI层主要由具有高离子电导率的无机组分构成。基于此特性，高离子电导率的CEI层显著提升了阴离子的传输速率，赋予了BDG电极更为优异的倍率性能。同时，薄且均匀的CEI层为阴离子的往返输运提供了畅通的通道，确保了电极具有良好的稳定性。

图4. 阴离子在CEI层的传输性质

图5. CEI层的结构表征

要点四：BDG电极应用于双碳双离子电池性能提升

为了探究BDG电极在全电池中的性能表现，将其与预锂化的石墨进行了匹配，成功构建了双碳双离子电池。测试结果显示，该电池展现出了卓越的功率密度与能量密度特性，在4 kW kg^‒1的功率密度下，能量密度可达178.5 Wh kg^‒1。

图6. 全电池性能

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文章链接

He Yang, Fuxi Liu, Xu Zou, Zhou Jiang, Xinyan Zhou, Xiangyu Wu, Sifan Qiao, Wei Zhang, Weitao Zheng, B-doping tunes surface chemistry of graphite cathode interfaced at electrolyte for optimal anion storage and robust dual-ion batteries, Acta Materialia, 285(2025)120692.

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2024.120692

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通讯作者简介

张伟，教授，吉林大学材料科学与工程学院唐敖庆学者-领军教授、电子显微镜中心主任、测试科学实验中心副主任、英国皇家化学会会士，任Nature出版集团Communications Chemistry执行编委和IOP集团Nanotechnology顾问编委，科睿唯安“全球高被引科学家榜单”（2023，交叉学科）。已在Angew Chem Int Ed、JACS等权威期刊期刊发表第一/通讯作者论文200余篇，全部论文被引超19000次，H因子74（Clarivate）。主要研究方向为先进材料的电子显微分析、催化和能源材料的表界面化学。

郑伟涛，教授，低维材料课题组组长。教育部长江学者特聘教授，国家杰出青年基金获得者。兼任中国晶体学会副理事长、中国材料研究学会常务理事、国际衍射数据中心（ICDD）委员、国际Appl. Surf. Sci.、Vacuum杂志编委等职。主要研究方向为超硬、纳米和功能薄膜材料，能源材料及材料的计算模拟。先后承担国家863、国家基金委重点项目、科技部重大仪器专项等科研项目10余项，获得吉林省科技进步一等奖、吉林省自然科学奖一等奖2项，连续四年入选科睿唯安“高被引科学家”榜单，著有《薄膜材料与薄膜技术》等。