研究チームは、液体-固体界面および気体-固体界面に電極触媒を限定するパラダイムを超え、リチウムイオン電池(LIB)における固体電極触媒のための新しい戦略を開発した。彼らの研究は、出版されたでアメリカ化学会誌。

LIBでは、負極材料合金化反応を利用してリチウムイオンを貯蔵するシリコンやリンなどの負極は、従来の黒鉛負極と比較して比容量が高いため、広く使用されています。ただし、これらのアノード材料のリチウム化反応速度は遅いため、LIB の急速充電性能は制限されます。

さらに、アノード材料のLi合金化反応中、反応物と生成物は固相にあり、従来の電極触媒に通常必要とされる二相界面がありません。したがって、固体反応における電極触媒作用を探索することが緊急に必要とされています。

この課題に対処するために、研究チームはヘテロ原子ドーピング、特にシリコンにはホウ素、リンには硫黄をドーピングして、固体電極材料における Li 合金化反応を促進しました。理論計算と X 線吸収分光法 (XAS) により、臨界ヘテロ原子ドーピング濃度 (1 ～ 5 原子 %) が高い濃度を提供できることが明らかになりました。活性部位アノード材料の合金化反応に使用され、固有の化学結合の切断を促進します。ドープされたサイトでのこの結合の切断により、アノード材料がより小さな単位セルに連続的に分割され、より多くの反応サイトが生成され、反応ダイナミクスが強化されます。

研究チームは、この戦略を適用して、硫黄ドープ黒リン (S/bP) アノードとコバルト酸リチウム (LCO) カソードを組み合わせた超高速充電バッテリーを作成することに成功しました。このバッテリーは、9 分間でエネルギーの 80% を再充電するという素晴らしいパフォーマンスを実証しました。エネルギー密度302Wh kgの^-1、以前に報告されたLIBを上回っています。さらに、この超急速充電性能は 300 サイクル以上にわたって安定したままでした。

この研究は固体反応における電極触媒作用を可能にし、高エネルギーおよび急速充電バッテリー技術への重要な一歩を意味し、産業応用の大きな可能性を示しています。この研究は、中国科学技術大学（USTC）のJi Hengxing教授とWu Xiaojun教授が、カリフォルニア大学ロサンゼルス校のDuan Xiangfeng教授のチームと協力して主導した。