锂电技术突破：10秒快速碳涂层，锂铁磷酸盐电池性能大幅提升

随着电动汽车和能源存储系统对高性能锂离子电池需求的不断增长，锂铁磷酸盐（LiFePO4，LFP）因其卓越的循环稳定性、成本效益和安全性而受到广泛关注。然而，LFP的快速充放电性能受限于其较低的固有电子和离子导电性。为了解决这一问题，研究者们开发了多种策略来提升LFP的离子和电子传输性能，其中碳涂层因其提高电导率、减少金属离子溶解和避免活性物质与电解液直接接触等优势而备受关注。传统上，碳涂层通过原位或非原位方法实现，但这些方法存在均匀性差和成本高的问题。因此，研究者们一直在寻找一种低成本、高效的非原位碳涂层技术，以提升LFP的性能并满足未来可持续能源存储的需求。直接电加热作为一种新兴的材料合成和改性技术，因其高效率和能够快速改变材料特性而展现出在这一领域的应用潜力。

文章简介

2024年9月9日，美国莱斯大学的James M. Tour教授和科尔万大学的赵玉峰教授团队在《Small Methods》上发表了题为“Cathode-Electrolyte lnterphase Engineering toward Fast-Charging LiFePO4 Cathodes by Flash Carbon Coating”的论文。本研究开发了一种新型的非原位快速碳涂层技术以增强快速充电的界面特性。通过在10秒内快速分解前驱体并在密闭空间内沉积碳物种，实现了连续的无定形碳层。同时，可以在表面碳基质中引入不同的杂原子，这有助于调控正极-电解液界面（CEI）的不规则生长，并有选择性地促进无机区域的形成。富无机物的混合导电CEI不仅促进了电子和离子的传输，还限制了寄生副反应的发生。因此，采用氟化碳涂层的LFP正极在0.2 C时展现出151 mAh g−1的最高容量，在10 C时仍能保持96 mAh g−1，表现出比商业LFP（10 C时为58 mAh g−1）更优异的倍率性能。这种无溶剂、多功能的表面改性技术也适用于其他电极材料，为通过表面后处理工程化电极-电解液界面提供了一个高效的平台。

图文导读

本研究采用非原位快速碳涂层技术（FJH）成功地实现了对锂铁磷酸盐（LFP）正极材料的表面改性。该技术通过在大约800°C的高温下，仅用10秒即可在LFP表面形成均匀约10纳米厚的碳涂层，显著提高了LFP的电子和离子导电性。与传统的碳涂层方法相比，FJH技术展现出了更高的转换效率和更好的温度控制，从而在不破坏LFP晶体结构的前提下，实现了碳源的选择性分解和沉积。

图1展示了FJH处理的典型过程，包括在石英管内压缩前驱体混合物，并通过两侧的石墨电极进行快速加热。通过调整输入电压，可以在毫秒级时间内实现极高的加热速率和冷却速率，从而在LFP表面形成均匀的碳涂层。此外，通过改变前驱体的种类和比例，可以引入不同的杂原子进入碳基质，进一步优化了正极-电解液界面（CEI）的组成和结构。

通过XRD、FTIR、TGA和XPS等技术，研究人员详细分析了FJH处理后LFP的结构变化和碳涂层的特性（图2）。结果表明，FJH处理不仅在LFP表面形成了均匀的碳层，还成功引入了杂原子，这些杂原子在形成富含无机物的CEI中起到了关键作用。

电化学性能测试表明，经过FJH处理的LFP正极在电化学测试中展现出了更高的比容量和更佳的循环稳定性（图3）。此外，通过电化学阻抗谱（EIS）和循环伏安法（CV）等技术，评估了F-LFP/C正极的电化学行为，结果证实了FJH技术在提升LFP正极材料性能方面的有效性。

进一步地，研究人员还研究了富含无机物的CEI层的形成机制和电化学性能（图4）。通过SEM和HRTEM图像比较了循环后的LFP和F-LFP/C的形貌，发现F-LFP/C在5 C倍率下循环后表面形成了均匀、致密的CEI层。而LFP表面则观察到更多裂纹和颗粒暴露，表明FJH处理显著改善了CEI层的质量和稳定性。

最后，通过生命周期评估（LCA）和技术经济分析，研究人员发现FJH技术在环境影响、能源需求、温室气体排放和水消耗方面均优于传统的非原位碳涂层方法（图5）。FJH技术不仅降低了能耗和温室气体排放，还显著减少了生产成本，展现出良好的工业化应用潜力。

总之，FJH技术为LFP正极材料的表面改性提供了一种高效、低成本的解决方案，有助于开发具有更高能量密度和改善循环稳定性的锂离子电池。此外，FJH方法的普适性使其能够应用于其他基底和正极材料的后处理，为电极-电解液界面工程和相关研究提供了理想的平台。

展望总结

本研究成功开发了一种通过快速且能效高的闪蒸焦耳加热（FJH）过程实现的非原位碳涂层方法，用于锂铁磷酸盐（LFP）正极材料的表面改性。通过控制密闭反应室内碳源的分解和气体物种的沉积，可以在10秒内在LFP正极上均匀实现约10纳米厚度的碳涂层。这种氟掺杂的碳涂层LFP正极在0.2 C时展现出了高达151 mAh g^-1的容量，在10 C时仍能维持96 mAh g^-1的容量，明显优于传统LFP正极的性能。

研究进一步发现，前驱体中的杂原子在FJH处理过程中富集于材料表面，并在电池循环后转化为CEI中的无机化合物。这种富含无机物的、致密的CEI层不仅有效促进了电子和离子的传输，还限制了副反应的发生，从而显著提升了LFP正极的电化学性能。

此项技术提供了一种简便、低成本的策略，为LFP正极材料的实际非原位碳涂层改性开辟了新途径，有助于开发具有更高能量密度和改善循环稳定性的锂离子电池。此外，FJH方法的普适性使其能够应用于其他基底和正极材料的后处理，为电极-电解液界面工程和相关研究提供了理想的平台。这些发现不仅推动了LFP正极材料的技术进步，也为未来高性能锂离子电池的发展奠定了坚实的基础。

文章链接

Cathode‐Electrolyte Interphase Engineering toward Fast‐Charging LiFePO 4 Cathodes by Flash Carbon Coating. Jinhang Chen; Obinna E Onah; Yi Cheng; Karla J Silva; Chi Hun Choi; Weiyin Chen; Shichen Xu; Lucas Eddy; Yimo Han; Boris I Yakobson; Yufeng Zhao; James M Tour. ISSN: 2366-9608 , 2366-9608;

DOI: 10.1002/smtd.202400680. Small Methods , 2024

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