据山东大学前沿交叉科学青岛研究院消息，近日，该院物质创制与能量转换科学研究中心李国兴教授课题组在快速充电电池方面取得新进展，相关研究成果以“Self-Expanding Ion-Transport Channels on Anodes for Fast-Charging Lithium-Ion Batteries”为题发表在国际知名期刊《Angewandte Chemie International Edition》上，并被选为热点论文（Hot Paper）。山东大学为该论文的第一完成单位。

 

 

快速充电锂离子电池有望大幅缩短充电时间，加速电动汽车在全球市场的普及。然而，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，引起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和循环寿命。

 

鉴于此，物质创制与能量转换科学研究中心李国兴教授课题组利用“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。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。

 

 

图：离子通道自扩张加速离子传输

研究人员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。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。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、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。

 

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。

 

 

据了解，山东大学前沿交叉科学青岛研究院物质创制与能量转换科学研究中心面向新物质创制、能源储存与转化、催化、光电信息等国家重大战略需求，发展系统性的、原创性的、具有自主知识产权新物质合成以及物质转化和能量转换中产生的新知识和新技术，支撑国家重大基础研究和需求。

 

李国兴教授主要从事先进能源材料、新型能量转换设备（锂金属电池、锂硫电池、锂离子/钠离子电池、锌电池、固态电池等）及新型碳材料等领域的研究，研究领域涉及化学、物理、材料等多个学科，目前主要研究方向包括高性能可充电电池（锂金属电池、锂硫电池、锌电池等）；快速充电电池；全固态电池；新型共轭碳材料及其在能源领域应用。

 

（资料来源：山东大学前沿交叉科学青岛研究院）