物理所NML：快充锂离子电池石墨负极的动力学瓶颈

快充锂离子电池的需求量很大，尤其是在减少电动汽车普及带来的里程焦虑方面。其最大的瓶颈之一在于石墨负极中Li⁺插层的缓慢动力学；缓慢的插层将导致析锂、严重的副反应和安全问题。解决这些问题的前提是充分了解石墨在Li⁺快速插层过程中的反应途径和速率决定步骤。

图1. 石墨中嵌入Li⁺的示意图

中科院物理所王雪锋、王兆翔、Yejing Li等比较了Li⁺在石墨颗粒、界面和电极中的扩散，揭示了高电流密度下锂化石墨的结构，并将其与反应动力学和电化学性能联系起来。研究发现，决定速率的步骤与颗粒大小、界面特性和电极配置密切相关。

结果表明，快速的Li⁺插层会导致不完全和不均匀的插层反应，Li⁺主要嵌入在石墨的次表层，这被电子能量损失光谱（EELS）图所证实。另外，Li⁺扩散系数的测试显示，当颗粒尺寸小于10μm时，其扩散速度足以支持至少6 C的快速插层。

图2. 石墨在低倍率和高倍率下锂化至相同容量下的结构比较

因此，Li⁺在界面和电极上的扩散成为决定速率的主要步骤；前者高度依赖于电解质化学性质，并可通过构建富含LiF的SEI层得到增强，而后者则与电极的致密性有关。这项工作的研究结果更新了对石墨在快速Li⁺插层时的微观结构和反应瓶颈的认识，并为通过构建含氟界面相和电极工程提高石墨的快速充电能力提供了启示。

图3. 倍率性能及界面研究

Kinetic Limits of Graphite Anode for Fast-Charging Lithium-Ion Batteries. Nano-Micro Letters 2023. DOI: 10.1007/s40820-023-01183-6

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