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快充鋰離子電池的需求量很大，尤其是在減少電動汽車普及帶來的里程焦慮方面。其最大的瓶頸之一在于石墨負極中Li⁺插層的緩慢動力學；緩慢的插層將導致析鋰、嚴重的副反應和安全問題。解決這些問題的前提是充分了解石墨在Li⁺快速插層過程中的反應途徑和速率決定步驟。

圖1.?石墨中嵌入Li⁺的示意圖

中科院物理所王雪鋒、王兆翔、Yejing Li等比較了Li⁺在石墨顆粒、界面和電極中的擴散，揭示了高電流密度下鋰化石墨的結構，并將其與反應動力學和電化學性能聯系起來。研究發現，決定速率的步驟與顆粒大小、界面特性和電極配置密切相關。

結果表明，快速的Li⁺插層會導致不完全和不均勻的插層反應，Li⁺主要嵌入在石墨的次表層，這被電子能量損失光譜（EELS）圖所證實。另外，Li⁺擴散系數的測試顯示，當顆粒尺寸小于10μm時，其擴散速度足以支持至少6 C的快速插層。

圖2.?石墨在低倍率和高倍率下鋰化至相同容量下的結構比較

因此，Li⁺在界面和電極上的擴散成為決定速率的主要步驟；前者高度依賴于電解質化學性質，并可通過構建富含LiF的SEI層得到增強，而后者則與電極的致密性有關。這項工作的研究結果更新了對石墨在快速Li⁺插層時的微觀結構和反應瓶頸的認識，并為通過構建含氟界面相和電極工程提高石墨的快速充電能力提供了啟示。

圖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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