快充石墨阳极材料

2025-03-26

作为锂离子电池首个商业化的负极材料，石墨具有高容量、稳定结构以及良好的导电性等优点。更重要的是，石墨来源广泛且成本低廉，至今仍然是最主流的阳极材料，短期内难以被完全替代。随着锂离子电池在电动车中的广泛应用，快充能力已成为石墨最重要的性能指标。由于锂的插层动力学较慢以及极低的氧化还原电位，石墨在高倍率充放电下的容量、稳定性和安全性无法满足动力电池的需求。因此，近年来学者们将石墨改性以提升其快充性能成为研究的重点。

针对石墨快充存在的问题，目前的解决方案如下。

(1) 构建稳定的人造SEI膜。通过在石墨表面构建具有稳定结构、高氧化还原电位和良好离子导电性的有机/无机人造SEI膜，不仅可以减少锂离子在石墨中的运输各向异性，还可以提高锂离子的迁移速率，降低极化，以避免在高倍率充放电过程中锂金属在石墨表面的沉积。此外，人造SEI膜还可以作为锂离子和溶剂分子的“分筛”，避免由于溶剂分子的共插入造成的石墨结构损害。

(2) 形态和结构设计。通过修改石墨的形态和结构（如孔结构设计），可以增加石墨边缘插层的活性位点数量，提高锂离子在石墨中的迁移能力。

(3) 电解液优化。通过优化溶剂的使用、调节锂盐的种类和浓度、添加有机/无机添加剂，可以有效调整电解液中锂离子的溶剂化结构，降低锂离子的脱溶剂屏障，构建稳定的SEI膜，并减轻溶剂分子共插层对石墨稳定性的影响。

(4) 优化充电策略。通过优化充电协议，调节充电电流、电压和放松时间，可以在不形成锂树枝晶的情况下实现充电速率限制，从而达到循环寿命与充电速率之间的平衡。这些方法可以有效提升石墨在快充条件下的容量和稳定性，为电动车实现“加油”充电提供参考。

然而，石墨的快充设计仍面临以下挑战：

石墨的化学稳定性极强，表面的润湿性很差。因此，通过一些简单的物理和化学方法构建人工固态电解质界面（SEI）保护膜是非常困难的。目前大多数研究需要使用原子层沉积（ALD）、化学气相沉积（CVD）等方法。这些方法构建人工SEI保护膜成本高、工艺繁琐、效率低，且不具备大规模工业化的可行性。因此，如何从石墨本身出发，改变其内在的物理和化学性质，实现以简单方便的方式构建人工SEI保护膜，将是未来研究的重点。

(2) 通过设计孔隙和减少石墨颗粒的形态和结构，虽然可以增加石墨的锂插层位点，但活性位点的增加往往伴随着副反应的加剧和首次库仑效率的下降。考虑到锂盐的价格已经达到了历史最高点，石墨的快充设计不能以第一次增加不可逆容量为代价。因此，形态和结构的调节策略必须结合其他表面改性策略，以避免额外的锂消耗。

(3) 通过使用功能添加剂或开发新的锂盐和溶剂，获得具有高离子导电性、高转移数和广泛温度范围的新型电解质至关重要，因为电解质决定了特定电池化学下的离子运输和界面。然而，电解质的开发指南必须考虑到成本因素和环境保护程度，否则将缺乏实际意义。

(4) 大多数基于石墨的快充设计仍然基于钮扣电池进行评估。作为一种急需大规模工业应用的技术，研究人员应在软包电池或圆柱电池中进行评估，以验证其商业应用潜力。