快充石墨阳极材料

2025-03-26

作为锂离子电池第一种商业化的负极材料，石墨具有容量高、结构稳定、导电性能良好的优点。更重要的是，它的资源广泛、成本低。目前仍然是最主流的负极材料，在短期内难以被完全取代。随着锂离子电池在电动汽车中的广泛应用，快充能力已成为衡量石墨性能的最重要指标。受制于缓慢的锂离子插层动力学和极低的还原电位，石墨在高倍率充放电条件下的容量、稳定性和安全性无法满足动力电池的需求。因此，近年来，研究人员重点关注对石墨的改性，以提升其快充性能。

对于快充中石墨问题，现有的解决方案如下。

(1) Constructing a stable artificial SEI membrane. By constructing an organic/inorganic artificial SEI film with stable structure, high redox potential and good ionic conductivity on the graphite surface, it can not only reduce the anisotropy of lithium ion transport in graphite, but also improve the migration rate of lithium ions. Small polarization to avoid the deposition of lithium metal on the graphite surface during high-rate charge and discharge. In addition, the artificial SEI film can also serve as a “differentiating sieve” for lithium ions and solvent molecules, avoiding the damage of the graphite structure caused by the co-intercalation of solvent molecules.

（2）形貌和结构设计。通过改变化石墨的形貌和结构（如孔洞结构设计），可以增加石墨边缘层间插层的活性位点数量，并改善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、调节锂盐的类型和浓度，以及添加有机/无机添加剂，可以有效调整电解液中锂离子的溶剂化结构，降低锂离子的去溶剂化能垒，构建稳定的固态电解质界面（SEI）膜。同时还能减缓溶剂分子共同嵌入对石墨稳定性的影响。

(4) Optimize the charging strategy. By optimizing the charging protocol, regulating the charging current, voltage and relaxation time, the charging rate limit can be reached without the formation of lithium dendrites, and the balance between cycle life and charging rate can be achieved. These methods can effectively improve the capacity and stability of graphite under fast charging conditions, and provide a reference for the realization of “refueling” charging of electric vehicles.

然而，石墨的快速充电设计仍然面临以下挑战：

（1）石墨的化学稳定性非常强，表面的润湿性也非常差，因此通过一些简单的物理和化学方法构建人工SEI保护膜较为困难。目前大部分研究需要采用原子层沉积（ALD）、化学气相沉积（CVD）等方法。这些方法在构建人工SEI保护膜时成本高、流程繁琐、效率低，且难以实现大规模工业化。因此，如何以石墨本身为起点，改变其固有的物理和化学性质，从而以简便便利的方式实现人工SEI保护膜的构建，成为未来研究的重点。

(2) 通过设计孔隙和减少石墨粒子的形貌与结构，虽然可以增加石墨的锂离子嵌入位置，但活性位点的增加往往伴随着副反应的加剧以及第一次库仑效率的降低。鉴于锂盐的价格已达到历史高点，石墨的快充设计不能以牺牲首次不可逆容量为代价。因此，必须结合其他表面改性策略，采用形貌和结构调控策略，以避免额外的锂消耗。

(3) 通过使用功能性添加剂或开发新型锂盐和溶剂，获得具有高离子导电性、高迁移数和宽工作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体系中的离子传输和界面。然而，电解质的开发指南必须考虑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是以纽扣电池为基础进行评估。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。