Small Structures:有序/无序混合通道下的锂离子快速扩散助力石墨负极的快充

石墨因具有较低的工作电位和极好的结构稳定性成为商用锂离子电池负极材料的最佳选择。然而,电池充电过程中锂离子在石墨层间的嵌入动力学过程缓慢容易导致低电位下碳表面析锂行为发生,影响电池安全。因此,石墨负极是决定商业化锂离子电池快充能力的主要因素。加速锂离子嵌入石墨层间的动力学过程及降低电极表面的极化电位是实现石墨电极的快充能力的底层化学理论。在石墨表面构建稳定的纳米保护层是目前广泛采用的技术路线,能有效提高电池的首次库伦效率及充放电倍率性能。但是,针对石墨表面纳米包覆层提升快充性能的相关机制研究相对匮乏。

清华大学张强教授研究团队采用湍层碳包覆石墨(G@TC)作为模型来深入研究石墨负极表面纳米层包覆对锂离子在电极/电解质界面和电极体相传输行为的影响。研究结果表明石墨表面的湍层碳能提高石墨片X-Y轴平面的活性位点,加速锂离子在X-Y轴平面的扩散速度,增加有序/无序混合通道,增大锂离子的扩散系数、降低极化效应,表现出较好的快充性能(电池在2 C充电倍率下保持270mAh/g的比容量),相关成果发表在Small Structures(DOI:10.1002/sstr.202000010)上。

该研究团队发现在石墨表面包覆湍层碳后不会明显的改变表面其固体电解质膜(SEI)的组成。通过引用参比电极分析了石墨工作电极的电化学行为,研究发现石墨表面的包覆碳层不改变锂离子在界面处的脱溶剂化能和穿过SEI过程的活化能。结合阿伦尼乌斯公式(k=Ae-Ea/RT),推断出包覆的湍层碳能为石墨片平面处提供额外的活性位点,影响反应速率的指前因子A。由于湍层碳的各项同性及较大的层间距,能为锂离子提供更多的有序/无序混合通道,从而加速锂离子快速扩散进入石墨层间。动力学实验结果表明G@TC展现出较小的极化效应及较大的离子扩散系数。因此,G@TC表现出优异的倍率性能及低温抑制析锂性能。该工作表明石墨表面包覆纳米层提高其倍率性能的重要性,为加速石墨负极快充应用的研究提供了更为深入的理论分析。