低温环境下基于磷基负极的高容量锂离子电池快速充电技术研究

为解决锂离子电池（LIBs）在低温环境下充电速度慢、容量衰减快的问题，研究人员通过设计一种黑磷（BP）-Mo/Sn2 P2 O7 复合负极材料，实现了高效均匀的Li+ 传输。该材料在-50°C至-10°C范围内表现出优异的快充性能（最高751 mA h g?1 ）和循环稳定性（92%容量保持率），为寒冷地区电动汽车和储能应用提供了新解决方案。

　　

在电动汽车和可再生能源存储领域，锂离子电池（LIBs）的低温性能一直是制约其广泛应用的关键瓶颈。当温度降至零下，传统LIBs的充电时间会从室温的30分钟延长至数小时，容量利用率甚至不足50%。这主要源于两大挑战：电解液离子电导率急剧下降，以及电极内部Li⁺
传输动力学恶化。更严峻的是，低温快充还会引发锂枝晶生长和固态电解质界面（SEI）的不可控增厚，直接威胁电池安全。尽管二维黑磷（BP）因其0.53 nm宽层间距和0.08 eV的低Li⁺
扩散势垒被视为理想负极，但其在低温下的体积膨胀和表面降解问题长期未能解决。

来自中国的研究团队在《Materials Today》发表的研究中，创新性地将Sn₂
P₂
O₇
作为活性Li⁺
储库整合到BP-Mo复合体系中。通过高能球磨法制备的BP-Mo/Sn₂
P₂
O₇
材料，结合了MoP共价键稳定表面和Sn₂
P₂
O₇
动态调控Li⁺
传输的双重优势。研究采用X射线光电子能谱（XPS）和冷冻透射电镜（cryo-TEM）表征界面化学组成，通过电化学阻抗谱（EIS）分析离子传输动力学，并构建了LiCoO₂
‖BP-Mo/Sn₂
P₂
O₇
全电池验证实际性能。

结构设计实现高效均匀Li⁺
传输
表面重构的BP-Mo颗粒通过MoP共价键有效抑制了BP的表面降解，而Sn₂
P₂
O₇
储库在高低电位区间可逆存储/释放Li⁺
。这种设计使Li⁺
扩散系数在-30°C仍保持10^?9
cm²
s^?1
量级，远高于传统石墨负极。

低温快充性能突破
在8 mg cm^?2
高载量下，该负极于-10°C/4C条件实现5.6 mA h cm^?2
面容量，-50°C时初始容量616 mA h g^?1
经175循环仍保持92%。全电池测试显示，LiCoO₂
匹配体系在-30°C/2C循环250次后容量保持率达77%。

稳定SEI界面构建
Sn₂
P₂
O₇
诱导形成富含Li₃
P的薄层SEI（<10 nm），其离子电导率比常规Li₂
CO₃
基SEI高2个数量级，有效抑制了枝晶生长。

这项研究通过分子尺度设计Li⁺
传输路径，首次实现了BP基负极在极端低温下的稳定快充。其创新点在于：①提出"活性Li⁺
储库"概念，动态平衡电极/电解液界面离子浓度；②揭示Li₃
P基SEI的低温传导机制；③为-50°C环境下高安全电池开发提供了新范式。该成果对寒区电动汽车、高空无人机等特种电源系统具有重要应用价值。