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Solid-State Electrocatalysis in Heteroatom-Doped Alloy Anode Enables Ultrafast Charge Lithium-Ion Batteries

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作者
En Ze Zhou,Hongchang Jin,Haifeng Lv,Yuansen Xie,Yuhao Lu,Ying‐Rui Lu,Ting‐Shan Chan,Chao Wang,Wensheng Yan,Jing Zhang,Hengxing Ji,Xiaojun Wu,Xiangfeng Duan
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:146 (30): 20700-20708 被引量:37
标识
DOI:10.1021/jacs.4c03680
摘要

Electrocatalysis is generally confined to dynamic liquid–solid and gas–solid interfaces and is rarely applicable in solid-state reactions. Here, we report a paradigm shift strategy to exploit electrocatalysis to accelerate solid-state reactions in the context of lithium-ion batteries (LIBs). We employ heteroatom doping, specifically boron for silicon and sulfur for phosphorus, to catalyze electrochemical Li-alloying reactions in solid-state electrode materials. The preferential cleavage of polar dopant-host chemical bonds upon lithiation triggers chemical bond breaking of the host material. This solid-state catalysis, distinct from liquid and gas phases, requires a critical doping concentration for optimal performance. Beyond a critical concentration of ∼1 atom %, boron and sulfur doping drastically reduces activation energies and accelerates redox kinetics during lithiation/delithiation processes, leading to markedly enhanced rate performance in boron-doped silicon and sulfur-doped black/red phosphorus anode. Notably, a sulfur-doped black phosphorus anode coupled with a lithium cobalt oxide cathode achieves an ultrafast-charging battery, recharging 80% energy of a battery in 302 Wh kg –1 in 9 min, surpassing the thus far reported LIBs.
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