Phosphorus‐Enhanced Anodes: A Scalable Solution to Transition‐Metal Ion Crosstalk in High‐Energy Lithium‐Ion Batteries

阳极 材料科学 石墨 电解质 阴极 纳米技术 电池(电) 电极 氧化物 光电子学 离子 化学工程 极化(电化学) 碳纤维 氧化硅 可扩展性
作者
Zetai Xu,Hao-Tong Li,Ning Cai,Kun Zhao,Huanyu Xie,Yuan Min,Jiaxuan She,Chaonan Wang,Qiang Xiao,Zhiyu Lu,Tianyuan Zhu,Tao Zhang,Si-Dong Zhang,An-Min Cao,Jie-Jie Chen,Hongchang Jin,Hengxing Ji
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
卷期号:: e18717-e18717
标识
DOI:10.1002/anie.202518717
摘要

Abstract Lithium‐ion batteries (LIBs) with high‐voltage transition‐metal (TM) oxide cathodes and graphite and/or silicon anodes are widely recognized for their high energy density. However, such high‐energy systems are often hindered by their poor cycling stability, especially due to anode failure caused by dissolved TM ions like Ni 2+ , Co 2+ , and Mn 2+ . Herein, we discovered phosphorus's unique phagotrophic effect, which absorbs TM ions into its bulk phase rather than allowing them to accumulate on the anode surface that typically happens for graphite and silicon. This effect allows a hybrid anode design by incorporating down to 2 wt.% phosphorus into graphite or silicon anodes, which is simple yet effectively prevents the TM‐ion‐induced decomposition of the electrolyte and solid‐electrolyte interphase (SEI), even at high TM‐ion concentrations (up to 100 mM). Consequently, full cells with phosphorus‐enhanced graphite or silicon anodes demonstrate remarkable extended cycling life. Importantly, this phosphorus‐based TM‐ion phagotrophic effect can be incorporated with standard electrode processing techniques for both graphite and silicon, ensuring seamless integration into existing LIB manufacturing. By improving the stability of graphite and silicon anodes across a variety of TM‐oxide cathodes, this approach provides a practical and scalable solution for advancing next‐generation high‐energy LIBs, offering both simplicity and transformative impact for battery technology.
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