华科孙永明Nature Energy：Li3P基晶体固体电解质界面实现快充石墨基锂离子电池

在电解质中，锂离子去溶剂化及其在固体电解质界面的扩散，是限制石墨基锂离子电池快充性能的两大决定性步骤。

在此，华中科技大学武汉光电国家研究中心孙永明团队研究了不同SEI组分对Li⁺去溶剂化的影响规律。结果显示对Li⁺具有高亲和能的SEI组分可以实现快速Li⁺的去溶剂化。具体而言，该工作结合分子动力学（MD）模拟和密度泛函理论（DFT）研究了常规SEI组分（包括有机成分、Li₂O、Li₂CO₃和LiF）和Li₃P对负极界面处Li⁺溶剂化结构的影响。

结果显示，在所研究的SEI组分中，Li₃P对Li⁺的亲和能最强。根据MD结果，Li₃P界面的内亥姆霍兹层（IHP）附近可以形成低溶剂分子配位数的Li⁺溶剂化鞘层，从而促进Li⁺快速去溶剂化。基于以上结果，作者利用S分子对P分子的“桥接”效应，在石墨表面构筑了超薄P包覆层，制备出“蓝”石墨；电池首次循环时，“蓝”石墨表面原位生成连续的晶态高离子导电性Li₃P基SEI；LiNi_0.6Co_0.2Mn_0.2O₂ (NCM622)||“蓝”石墨软包电池具有快充性能（10分钟和6分钟可分别充满91.2%和80%的电量）以及在快充条件下（6C, 10分钟充电）优异的循环性能（~1 Ah，2000次循环，容量保持率82.9%）。

此外，作者还制作了~3 Ah的电池装配到手机中用于驱动手机，10分钟充电可实现90.3%电量，进一步证明了“蓝”石墨是一种性能优异的快充锂电池负极。

图1. SEI结构表征

总之，该工作使用MD模拟和DFT计算系统研究了SEI组分对电极/电解液界面处Li⁺溶剂化结构的影响。结果发现，由于Li⁺和Li₃P之间强的相互作用，在Li₃P界面处IHP附近可以形成低溶剂分子配位数的Li⁺溶剂化结构。配合其高离子电导率特性，Li₃P能够有效促进Li⁺的去溶剂化和Li⁺在SEI中的迁移。

实验上，作者开发了一种“蓝”石墨负极材料，它在循环过程中能够原位形成连续的晶态Li₃P基SEI。Ah级的NCM622||“蓝色”石墨软包电池在大电流充电条件下具有优异的快速充电性能、稳定的循环性能和高的能量密度。

因此，该工作揭示不同界面组分对Li⁺溶剂化结构和SEI形成的影响规律，对快充负极SEI的设计具有重要指导意义。

图2. NCM622||“蓝”石墨叠片软包电池的电化学性能

Fast-charging capability of graphite-based lithium-ion batteries enabled by Li3P-based crystalline solid–electrolyte interphase, Nature Energy 2023 DOI: 10.1038/s41560-023-01387-5