鋰離子電池經(jīng)正在為便捷化生活方式和環(huán)境友好型社會建設(shè)服務(wù)。正極材料是鋰離子電池的主要組成部分，磷酸鐵鋰因其高穩(wěn)定性、高安全性而受到青睞，目前已經(jīng)實現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用。近期，電動汽車特斯拉公司也給予磷酸鐵鋰非常高的重視，并做出了長遠(yuǎn)規(guī)劃。因此，為了全方位發(fā)揮磷酸鐵鋰的優(yōu)勢，對其深刻研究顯得尤為重要。相比于體相結(jié)構(gòu)對性能的影響的認(rèn)識，磷酸鐵鋰固液界面結(jié)構(gòu)所發(fā)揮的作用還有待深入研究。近來，科研工作者發(fā)現(xiàn)固液界面結(jié)構(gòu)對鋰離子電池的電化學(xué)性能有非常重要的影響，亥姆霍茲層是固液界面重要的雙電層，包括內(nèi)亥姆霍茲層和外亥姆霍茲層，一般情況下陰離子和陽離子吸附層是將影響亥姆霍茲層，從而影響鋰離子在固液界面的傳輸行為和鋰電池的充放電性能。

近日，北京大學(xué)深圳研究生院新材料學(xué)院潘鋒教授領(lǐng)導(dǎo)的清潔能源中心研究團隊運用自主創(chuàng)新單分散納米顆粒（下稱“單顆粒”）鋰電池電化學(xué)方法，研究磷酸鐵鋰固液界面陰離子吸附層對鋰離子傳輸?shù)挠绊憽＝?jīng)過系統(tǒng)的單顆粒電化學(xué)實驗和理論分析發(fā)現(xiàn)溶液中陰離子幾何大小、配位強度、水溶液中電解質(zhì)的強弱等的不同會導(dǎo)致不同的電化學(xué)行為和不同的界面動力學(xué)常數(shù)和活化能，從而導(dǎo)致了鋰離子在界面?zhèn)鬏攧恿W(xué)的差異性，該工作近日發(fā)表在能源材料領(lǐng)域知名期刊《納米能源》 (Nano Energy, IF=15.5)上。


磷酸鐵鋰單顆粒電化學(xué)研究晶體-溶液界面的雙電層結(jié)構(gòu)（內(nèi)/外亥姆霍茲層）

該研究通過對不同陰離子電解質(zhì)溶液中磷酸鐵鋰單顆粒電化學(xué)測試，結(jié)合單顆粒電化學(xué)多物理場模擬證明了陰離子如硝酸根和氯離子具備較高的界面速率常數(shù)和較低的活化能及電化學(xué)曲線上表現(xiàn)出來的弱極化現(xiàn)象。通過量子化學(xué)第一性原理計算，證明了水分子實現(xiàn)界面重構(gòu)形成Janus界面（如上圖），它與陰離子發(fā)生的靜電相互作用一起形成雙電層的內(nèi)亥姆霍茲層，以及陰離子的不同會導(dǎo)致鋰離子傳輸?shù)慕缑婺軌镜牟煌Ｔ撾p電層固液界面研究為我們研究其它鋰電池電化學(xué)界面結(jié)構(gòu)提供了重要參考。

本工作由新材料學(xué)院潘鋒教授指導(dǎo)完成，該論文共同第一作者為胡江濤博士，任文舉博士和陳鑫，潘鋒老師、鄭家新老師和林原老師為共同通信作者。該工作得到了國家材料基因工程重點研發(fā)計劃和深圳市科技創(chuàng)新委員會等項目的大力支持。