隨著鋰離子電池在現(xiàn)代社會(huì)中的廣泛應(yīng)用，如電子產(chǎn)品、國(guó)防軍事、電動(dòng)汽車、可再生能源存儲(chǔ)等，人們也對(duì)鋰離子電池的性能提出了更高的需求。其中尤為重要的是鋰離子電池的功率密度，而影響其功率密度的最重要因素是其倍率性能，即充放電速度。這將直接影響電動(dòng)汽車的應(yīng)用前景和可再生能源（如太陽(yáng)能和風(fēng)能）的快速存儲(chǔ)和釋放。盡管超級(jí)電容和氧化液流電池也具有快充快放性能，但其成本昂貴，且容量和循環(huán)穩(wěn)定性都不及鋰電池，所以發(fā)展超快速（超高倍率）性能的鋰離子電池成為當(dāng)今能源材料領(lǐng)域研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。
近日，北京大學(xué)深圳研究生院新材料學(xué)院潘鋒教授團(tuán)隊(duì)與復(fù)旦大學(xué)吳宇平教授合作在此領(lǐng)域取得重大突破。通過(guò)實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算，他們發(fā)現(xiàn)自主研發(fā)的納米LiFePO4電池在水溶液中具有超快充放電速度，在600C（3600/600=6秒）充放電倍率下，容量可保持理論容量的42%。這一倍率性能超過(guò)2009年MIT Ceder教授在Nature上報(bào)道的最快充放電速度（400 C下容量保持36%），同時(shí)也發(fā)現(xiàn)比同等條件下有機(jī)電解液的充放電速度快~10倍。通過(guò)電化學(xué)實(shí)驗(yàn)和模擬，及量子化學(xué)第一性原理計(jì)算，發(fā)現(xiàn)LiFePO4超充放電的機(jī)理，關(guān)鍵是LiFePO4納米顆粒與不同電解液接觸形成的新的固液界面結(jié)構(gòu)，該固液界面的結(jié)構(gòu)成為鋰離子脫嵌過(guò)程及鋰離子輸運(yùn)速度的決速步。LiFePO4與水溶液電解質(zhì)接觸后，表面化學(xué)吸附鍵合水分子的氧原子彌補(bǔ)了表面的對(duì)稱性破缺，形成了與體相對(duì)稱性一樣的結(jié)構(gòu)，同時(shí)又形成了一層水合界面。這層界面不僅有類似于體相的結(jié)構(gòu)，同時(shí)也具有溶液中鋰離子的水合結(jié)構(gòu)，形成一層Janus（古希臘神話中的雙面神）界面。這將降低鋰離子在界面處的脫嵌能壘，有利于鋰離子溶劑化和去溶劑化過(guò)程。此項(xiàng)研究將為今后進(jìn)一步提高鋰離子電池倍率性能提供新的方法和視角，即通過(guò)調(diào)控正極材料的界面性質(zhì)提高鋰電池的倍率性能。相關(guān)工作近期發(fā)表在國(guó)際材料頂級(jí)期刊Nano Letters上面：（http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.5b02379）。
圖：LiFePO4與水溶液電解質(zhì)接觸后形成的”Janus”固液界面，此界面既具有類似于體相的結(jié)構(gòu)，又具有類似于溶劑化鋰離子的結(jié)構(gòu)。這種界面結(jié)構(gòu)將有利于鋰離子在界面附近的輸運(yùn)，從而提高鋰離子電池的倍率性能。
新材料學(xué)院博士后鄭家新、段彥棟，復(fù)旦大學(xué)侯宇陽(yáng)是該論文的共同第一作者。該工作和合作作者還包括美國(guó)伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的Lin-Wang Wang教授、美國(guó)陸軍實(shí)驗(yàn)室的Xu Kang教授、中科院化學(xué)所林原教授。該項(xiàng)工作得到了國(guó)家新能源汽車（動(dòng)力電池）技術(shù)創(chuàng)新項(xiàng)目、廣東省引進(jìn)科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目、深圳市科技創(chuàng)新基礎(chǔ)項(xiàng)目、美國(guó)能源部以及深圳國(guó)家超算中心的支持。
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Jiaxin Zheng1, Yuyang Hou1, Yandong Duan1, Xiaohe Song, Yi Wei, Tongchao Liu, Jiangtao Hu, Hua Guo, Zengqing Zhuo, Lili Liu, Zheng Chang, Xiaowei Wang, Danylo Zherebetskyy, Yanyan Fang, Yuan Lin, Kang Xu, Lin-Wang Wang, Yuping Wu*, and Feng Pan*，Janus Solid–Liquid Interface Enabling Ultrahigh Charging and Discharging Rate for Advanced Lithium-Ion Batteries，Nano Lett., 2015, 15 (9), pp 6102–6109
