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鋰離子電池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高度重視，并做出長遠規(guī)劃。因此，為全方位發(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)性能有重要影響，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?。?jīng)過系統(tǒng)的單顆粒電化學(xué)實驗和理論分析，他們發(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)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)致鋰離子在界面?zhèn)鬏攧恿W(xué)的差異性，該工作近日以“The role of anions on the Helmholtz Plane for the solid-liquid interface in aqueous rechargeable lithium batteries”為題，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。

這項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。一家人有通過量子化學(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（如下圖），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?。該雙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。

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）

該工作由潘鋒指導(dǎo)完成，論文共同第一作者為胡江濤博士、任文舉博士和碩士生陳鑫，潘鋒、鄭家新副教授和林原研究員為共同通訊作者。這項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。