Un equipo ha desarrollado una estrategia novedosa para la electrocatálisis de estado sólido en baterías de iones de litio (LIB), trascendiendo el paradigma que limita la electrocatálisis a interfaces líquido-sólido y gas-sólido.Su estudio espublicadoen elRevista de la Sociedad Química Estadounidense.

En LIB,materiales del ánodoLos que utilizan reacciones de aleación para almacenar iones de Li, como el silicio y el fósforo, se utilizan ampliamente debido a su alta capacidad específica en comparación con los ánodos de grafito convencionales.Sin embargo, la lenta cinética de litiación en estos materiales anódicos limita el rendimiento de carga rápida de los LIB.

Además, durante la reacción de aleación de Li de materiales anódicos, los reactivos y productos se encuentran en fases sólidas, careciendo de la interfaz de dos fases que normalmente se requiere para la electrocatálisis convencional.Por tanto, existe una necesidad urgente de explorar la electrocatálisis en reacciones en estado sólido.

Para abordar este desafío, el equipo empleó dopaje con heteroátomos, específicamente boro para silicio y azufre para fósforo, para acelerar las reacciones de aleación de Li en material de electrodo de estado sólido.Los cálculos teóricos y la espectroscopía de absorción de rayos X (XAS) revelaron que una concentración crítica de dopaje de heteroátomos (1~5 % de átomos) puede proporcionar una altasitios activospara las reacciones de aleación de materiales anódicos, promoviendo la ruptura de enlaces químicos intrínsecos.Esta escisión de enlaces en sitios dopados hace que los materiales del ánodo se dividan continuamente en celdas unitarias más pequeñas, creando más sitios reactivos y mejorando la dinámica de reacción.

El equipo aplicó con éxito esta estrategia para crear una batería de carga ultrarrápida que consta de un ánodo de fósforo negro (S/bP) dopado con azufre junto con un cátodo de óxido de litio y cobalto (LCO).La batería demostró un rendimiento impresionante al recargar el 80% de su energía en 9 minutos con undensidad de energíade 302 Wh kg^-1, superando los LIB informados anteriormente.Además, este rendimiento de carga ultrarrápida se mantuvo estable durante más de 300 ciclos.

Esta investigación permite la electrocatálisis en reacciones de estado sólido, lo que significa un paso crucial hacia la tecnología de baterías de alta energía y carga rápida, mostrando un gran potencial para aplicaciones industriales.El estudio fue dirigido por el Prof. Ji Hengxing y el Prof. Wu Xiaojun de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China (USTC), en colaboración con el equipo del Prof. Duan Xiangfeng de la Universidad de California, Los Ángeles.