综述：关于在石墨阳极中构建快速锂离子传输通道及实现快速充电性能的研究进展

《Journal of Energy Storage》：Research progress on the construction of fast lithium-ion transport channels and fast-charging performance in graphite anodes

石墨负极快充性能提升机制研究综述。通过构建内部锂离子快速传输通道，系统分析锂存储机制、动力学限制及四大改进策略（界面优化、结构调控、电子调控、多相协同），提出高效快充石墨负极的关键特性与未来发展方向。

　　

徐张|卢旭歌|唐聚鹏|宋彦昭|刘坤|王硕|童银燕|董伟|沈丁|杨少斌

辽宁工程技术大学材料科学与工程学院，阜新市，123000，辽宁省，中国

摘要

在全球能源转型和电动汽车广泛采用的背景下，快速充电技术的发展对于克服锂离子电池的性能限制变得至关重要。尽管在优化电解质和隔膜方面的研究已经相对成熟，但石墨负极在高倍率条件下的固有动力学限制、界面不稳定性和锂沉积风险仍然是限制快速充电性能和安全性的核心因素。因此，本综述重点关注石墨材料本身，系统总结了通过构建内部“快速Li⁺传输通道”来提高快速充电性能的研究进展。文章首先深入分析了石墨中的锂储存机制及其在快速充电过程中的动力学限制的根本原因，然后探讨了四种主要改性策略的机制和效果，即界面优化、结构调控、电子结构调节和协同多相复合设计，并基于这些分析总结了构建高效高速锂离子传输通道所需的基本特征。最后，针对当前研究的局限性，指出了关键挑战和未来的发展前景。本综述旨在为高性能快速充电石墨负极的材料设计和开发提供理论基础和指导。

引言

便携式电子设备、电动汽车和电网储能系统的快速发展推动了对具有高能量密度、高功率密度和长循环寿命的锂离子电池（LIBs）的需求不断增加[1][2][3][4]。因此，快速充电能力已成为LIBs用户体验和工业进步的关键性能指标。近年来，主要的汽车和电池制造商相继推出了超快速充电解决方案。例如，特斯拉的V3超级充电站可以达到250千瓦的峰值功率[5]。美国国家可再生能源实验室（NREL）也指出，某些高性能LIBs已经能够在15分钟内完成充电，尽管这通常是以降低能量密度和增加成本为代价的[6]。这意味着，为了满足下一代高功率充电应用的实际需求，大规模生产的电池必须实现4C或更高的快速充电性能。同时，需要在结构稳定性、反应动力学和材料兼容性方面取得突破，以减轻能量密度损失和成本上升的相关挑战。 自1991年索尼率先实现LIBs商业化以来，由于其低成本、优异的电导率、结构稳定性和丰富的储量，石墨一直是主导的负极材料[7][8]。随着LIBs应用的不断发展，对快速充电性能的需求变得越来越迫切。对于网约车和配送服务等高利用率行业来说，利用零散的时间间隔进行高效充电对于最大化运营效率至关重要。同时，便携式电子设备的用户继续追求“几分钟内充电，数小时使用”的理想状态。然而，尽管自1994年以来石墨负极占据了商业LIBs市场的90%以上[9]，显示出其根深蒂固的地位，但传统的石墨材料在快速充电条件下仍面临根本性挑战，包括离子传输路径受限、高电流密度下不稳定的固体电解质界面（SEI）以及加剧的极化[10][11]，这些因素共同限制了快速充电LIBs的速率性能，并影响了其效率、安全性和循环寿命。为此，全球范围内正在进行大量研究以改进石墨负极并克服这些限制。 在追求提高快速充电性能的过程中，电解质和隔膜的优化也起着重要作用[12][13][14]。例如，高浓度或局部高浓度的电解质可以显著提高离子导电性并抑制副反应[15]，而功能性涂层隔膜、陶瓷复合隔膜和高孔隙率聚合物隔膜可以有效提高离子传输效率和界面稳定性[16][17]。这些领域的研究在快速充电机制和应用方面取得了广泛而成熟的结果，为整体电池性能提供了关键支持[18][19]。然而，与外部组件的优化相比，石墨负极的固有结构和界面动力学限制仍然是阻碍快速充电能力的核心挑战。这些限制主要由Li⁺传输的效率决定。因此，本综述重点关注“在石墨内部构建快速Li⁺传输通道”的核心主题，系统总结了相关研究进展。为此，文章首先深入分析了石墨负极中的锂储存机制以及高倍率充电过程中遇到的基本动力学约束，然后系统回顾了四种主要策略的研究进展：界面优化、结构调控、电子结构调节和多相协同复合设计，并从中提取出构建高效Li⁺传输通道所需的关键特征。最后，基于现有挑战，从多尺度机理分析、多策略协同设计和产业整合的角度展望了高性能快速充电石墨负极的未来发展路径。

石墨的锂储存机制

石墨是商业LIBs中最常用的负极材料，其碳原子通过sp²杂化排列成二维蜂窝状晶格。这些层沿c轴以AB顺序堆叠，层与层之间通过弱范德华力结合，层间距约为0.335纳米[20]。这种有序的层状结构为锂离子在充电和放电过程中的嵌入和脱嵌提供了有利的扩散路径。

Li⁺快速传输通道的改性策略和特性

为了克服上述动力学瓶颈，如界面限制、结构限制和固有电子特性，研究人员开发了多种改性策略来构建高效的Li⁺传输通道。为了降低界面阻抗，界面优化策略通过引入功能团或功能化涂层来改进SEI结构，从而增强界面Li⁺传输动力学并抑制相关问题。

结论与展望

作为商业LIBs中的主导负极材料，石墨在高倍率条件下面临多重限制，包括Li⁺迁移路径受限、界面反应动力学缓慢以及内在电子结构不匹配等问题。本综述总结了石墨负极在快速充电条件下的动力学瓶颈，并重点总结了改性策略的研究进展和机制，包括界面优化、结构调控等。

作者贡献声明

本文由所有作者共同完成。所有作者均已批准最终版本的手稿。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了辽宁工程技术大学博士启动基金（编号636250017）、辽宁省高等教育机构基础科学研究项目（编号JYTQN2023209）、大学生创新创业培训项目（编号X202510147038）、辽宁振兴人才计划（编号XLYC2403199）、辽宁省教育厅基础研究资助项目（编号LJ222410147088）等项目的财政支持。