综述：碳涂层设计优化锂离子电池电极的电-化-力学行为研究

这篇综述系统探讨了碳涂层（Carbon Coatings）如何通过调控电极材料的电化学-力学耦合行为（E-C-M Behavior），解决高容量电极（如硅基负极和富锂正极）在充放电过程中的体积形变（>100%）、应力积累（～60 mV/GPa）和机械失效问题，重点分析了多维碳材料（0D富勒烯至3D石墨烯笼）对Li+ 扩散系数（D）、界面反应动力学（B-V方程）和SEI稳定性的优化机制。

　　

Abstract

锂离子电池（Li-ion Battery）在电动交通工具和便携式电子设备中的快速发展，对高循环寿命和能量密度的电极材料提出了迫切需求。然而，高容量电极（如硅负极和富锂正极Li[Ni_x
Co_y
Mn_z
]O₂
）在充放电过程中产生的剧烈体积变化（可达300%）和内部应力，导致电极破裂、SEI膜反复断裂及活性物质与集流体失联，严重制约其实际应用。碳涂层因其优异的导电性、机械柔韧性和成本优势，成为优化电极电-化-力学（Electro-Chemo-Mechanical, E-C-M）行为的关键策略。

Introduction

锂离子电池电极的失效不仅源于化学降解，更与力学行为密切相关。以硅（Si）负极为例，其锂化反应中化学驱动力较弱，但产生的机械应力足以与化学能抗衡（～60 mV/GPa应力-电势耦合系数）。这种E-C-M耦合通过四种途径影响电池性能：1）机械完整性（如Si负极的粉碎化）；2）热力学（应力改变平衡电位）；3）Li⁺
传输（扩散系数D受应力调控）；4）反应动力学（应力修正的Butler-Volmer方程）。

碳涂层的理性设计

根据维度特征，碳涂层可分为五类：

• 0D富勒烯：通过表面钝化抑制SEI过度生长；
• 1D碳纳米管（CNTs）：构建导电网络，缓冲Si负极体积膨胀；
• 2D石墨烯：各向异性导热缓解局部热应力；
• 3D石墨烯笼：限制活性颗粒（如S@Graphene）在循环中的迁移；
• 非晶碳（a-C）：通过sp²
  /sp³
  杂化比例调控硬度和离子渗透性。

实验表明，3D石墨烯包裹的Si负极在500次循环后仍保持92%容量，而未涂层电极仅剩40%。

碳涂层调控的E-C-M行为

应力缓冲机制：碳涂层的弹性模量（～1 TPa）可分散活性颗粒的局部应力。例如，分子动力学模拟显示，石墨烯涂层能使Si纳米颗粒表面应力降低47%。
界面动力学优化：碳涂层修饰的电极界面电荷转移电阻（R_ct
）下降80%，符合应力修正的Butler-Volmer方程预测。
实时应力监测：新型原位拉曼技术证实，碳涂层可将Li_x
Si合金的循环应力波动范围从2.1 GPa压缩至0.7 GPa。

Conclusion and Perspectives

未来研究方向包括：1）开发应力-电化学耦合的多尺度模型；2）设计梯度化碳涂层以匹配不同电极区域的力学需求；3）利用人工智能筛选最优碳涂层拓扑结构。通过跨学科协同，碳涂层技术有望推动下一代高能量密度电池的商业化进程。