李玉良院士、李国兴教授， Angew观点：“智能”离子通道：离子通道自扩张实现高性能快速充电锂离子电池- 大数跨境

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李玉良院士、李国兴教授， Angew观点：“智能”离子通道：离子通道自扩张实现高性能快速充电锂离子电池

科学材料站

2021-12-09

导读：该文章提出了“离子通道自扩张”概念，构筑了“智能”离子通道调控离子在电极材料中的传输行为

文章信息

在快速充电锂离子电池负极上构筑自扩张离子通道

第一作者：安娟

通讯作者：李国兴*，李玉良*

单位：山东大学

研究背景

快速充电锂离子电池有望大幅缩短充电时间，并加速电动汽车在全球市场的普及。然而，为了实现卓越的快速充电能力，需要解决几个严重的问题，如负极上的析锂、较差的库仑效率（CE）、大的电压极化、快速的容量衰减和安全风险等。

为了克服这些问题，必须大幅提高电池各组成部分的锂离子传输速率，包括正极、负极、电解质和相间层。特别是在负极，较快的锂离子固态扩散动力学可以降低过电位，从而提高CE和循环寿命，消除安全隐患。

但是，商业化的负极材料因其单一和不可调节的离子传输通道导致锂离子传输动力学缓慢，引发了巨大的电压极化和严重的析锂问题，从而极大地降低电池容量及其循环寿命。因此，在负极材料中构建高效、智能的锂离子传输通道，以实现锂离子的快速固态扩散和高快充性能仍然是一个很大的挑战。

文章简介

基于此，山东大学李玉良院士团队李国兴教授课题组在国际知名期刊Angewandte Chemie上发表题为“Self-Expanding Ion-Transport Channels on Anodes for Fast-Charging Lithium-Ion Batteries”的研究文章。

该文章提出了“离子通道自扩张”概念，构筑了“智能”离子通道调控离子在电极材料中的传输行为，加速离子的传输，从而在宽温域内让锂离子电池实现优异的快充性能。并通过对石墨炔材料在快充条件下与锂离子的作用机制研究进一步验证了该概念。

图1. 自扩张离子传输通道的概念和GDY的结构表征。a，具有不同键长的化学键可逆转变形成自扩张离子传输通道的示意图。b， GDY负极中自扩张锂离子传输通道示意图。c， GDY中苯环（h位）和丁二炔三角形孔（A位）上两个不同锂吸附位点。d， GDY的AFM图像。e-g，GDY的HR-TEM图像。h， GDY的拉曼光谱。i，锂离子与GDY不同作用位点的结合能。j，GDY与Li+相互作用引起的可逆炔-烯烃络合物转变

图2. a, GDY在充电和放电过程中的原位拉曼光谱；b, GDY在循环过程中G带的变化；c, GDY在循环过程中ID/IG的变化。d，GDY在循环过程中炔键变化的拉曼图谱分析。e，烯烃-炔烃复合过渡过程中的键长和孔隙大小的变化。f，GDY-电极片的变形实验，由于GDY的共价键网络和孔隙的尺寸扩张。在2.5V的电压下，GDY电极片向正极一侧变形。g，GDY一侧吸附Li的优化配置的侧视图，以及Li自发的面外扩散示意图。h， GDY中Li的平面内扩散途径（h1）和相应的能量曲线作为吸附点的函数（h2）；GDY中Li的平面外扩散途径（h3）和初始状态（IS）与最终状态（FS）之间的相应能量曲线（h4）

本文要点

要点一：提出“智能”离子通道即自扩张离子传输通道的新思路

离子与电极材料中化学键的作用是自扩张离子通道的关键，在离子/化学键相互作用下诱导具有不同键长化学键的可逆互变，从而实现离子传输孔洞孔径的转变，改善离子固相传输动力学。

该方法具有普适性，可以通过炔-烯烃络合物转换，可逆共价键转换包括亚胺键、二硫键、肟键和Diels-Alder反应等，以及非共价键的自可逆断裂和修复包括氢键、金属-配体相互作用，静电相互作用和主客体相互作用来实现。

要点二：以GDY为例，探究了与锂离子的作用机制并进一步验证了“智能”离子通道概念

在嵌锂过程中，石墨炔丰富的炔键在与锂离子相互作用下向烯键转化，具有不同键长的炔键-烯键互变引起石墨炔内孔洞孔径的转变，从而实现锂离子传输通道的可逆自扩张，并显著降低锂离子在石墨炔内的扩散能垒，大大提升锂离子的传输速率。

要点三：优异的快充电化学性能

以石墨炔作为快充电池负极解决了严重极化及析锂问题，并获得了优异的快充性能。在极速充电条件下（6C），石墨炔负极材料展现出高容量（342 mA h g^-1）、长周数循环（15000周），并具有高的容量保持率。尤其在低温条件下（-10℃），石墨炔负极材料仍展现出优异的快充性能（6C条件下循环20000周，容量保持率为81.3%）。

基于石墨炔组装的全电池（石墨炔||NCM622）在极速充电条件下（6C）循环500周仍具有83%的容量保持率。研究结果表明其性能显著优于已报道的快充负极材料。

要点四：前瞻

该工作提出了全新的构筑快速离子传输通道的机理和概念，为设计制备新型快充电池电极材料提供了新的思路和策略，对未来发展稳定、高性能的快速充电电池具有重要指导意义。

文章链接

Self-Expanding Ion-Transport Channels on Anodes for Fast-Charging Lithium-Ion Batteries

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202113313

通讯作者简介

李玉良院士

中国科学院化学研究所研究员、山东大学讲席教授、博士生导师、中国科学院院士。曾在荷兰阿姆斯特丹大学化学系、美国Nortre Dame (圣母) 大学放射实验室、香港大学化学系从事研究及合作研究。2002年、2005年和2014年三次获得国家自然科学二等奖，两次获北京市科学技术奖（自然科学）一等奖和中国科学院自然科学二等奖一次。是首届全国创新争先奖获得者，2017年获何梁何利科学与技术进步奖。研究领域为碳基和富碳分子基材料定向、多维、大尺寸聚集态结构和异质结构自组织生长、自组装方法学以及在能源、催化和光电等领域的应用。

李国兴教授

山东大学前沿交叉科学青岛研究院教授，博士生导师，国家海外高层次人才青年项目入选者，山东大学杰出中青年学者，山东省泰山学者。博士毕业于中国科学院化学研究所，随后分别在美国亚利桑那大学、宾夕法尼亚州立大学从事博士后研究工作。长期从事高性能可充电电池、储能材料的研究和开发。以通讯作者和第一作者身份在Nature Energy, Nature Communications, Angewandte Chemie International Edition， Advanced Energy Materials, ACS Nano, ACS Energy Letters等学术刊物上发表多篇研究论文。成果多次被Materials Today, NPG Asia Materials, NanoTech, Nature China等权威杂志作专题评述，并受到多家媒体及门户网站报道。