本研究由Sang-min Lee（韩国电气技术研究院）、Junyoung Kim（庆熙大学）、Janghyuk Moon（中央大学）等学者合作完成，通讯作者为Jong-won Lee（大邱庆北科学技术院）和Min-sik Park（庆熙大学）。该研究成果于2021年发表在 Nature Communications 期刊上，论文题目为“A cooperative biphasic MoOx–MoPx promoter enables a fast-charging lithium-ion battery”。
随着电动汽车（electric vehicle, EV）市场的快速增长，高性能锂离子电池（lithium-ion batteries, LIBs）的需求持续攀升。充电时间是影响消费者接受电动汽车的关键因素之一，美国先进电池联盟（United States Advanced Battery Consortium, USABC）设定的目标是使电池在15分钟内充电至80%以上容量。然而，当前商用LIBs所采用的石墨（graphite）负极在高倍率充电条件下存在严重的界面动力学迟缓问题，导致负极电压降至0 V（vs. Li/Li⁺）以下，从而引发金属锂在石墨表面不可控地沉积（即“析锂”，Li plating）。析锂不仅造成显著的容量损失，而且枝晶状锂的生长可能导致短路，进而引发电池起火甚至爆炸。
针对上述技术难题，已有研究者探索了多种纳米结构负极材料，如纳米颗粒网络、异质纳米层和多孔纳米结构等。这些材料凭借较大的比表面积和较短的扩散路径，显著提升了倍率性能。然而，高度多孔的纳米材料密度低，导致电池能量密度严重下降。Griffith等人提出的复杂铌钨氧化物（Nb₁₆W₅O₅₅和Nb₁₈W₁₆O₉₃）虽然具备优异的高倍率性能，但其工作电压较高（1.0–2.5 V vs. Li/Li⁺），需要搭配高压正极或重新设计电极/电池结构。相比之下，对石墨负极进行表面功能化改性，在不牺牲能量密度的前提下提升快充性能，被认为是更为实用的技术路线。本研究的核心目标即是通过在石墨表面构建协同双相MoOx–MoPx促进剂（cooperative promoter, 简称Mo-CP），实现快速充电并抑制析锂。
本研究的工作流程可分为四个主要阶段：材料设计与合成、功能验证、电化学性能评估以及循环后表征。
第一阶段：材料设计与合成。 研究者首先基于以下四项设计原则提出了促进剂的功能要求：（1）抑制高电阻性物种（如Li₂CO₃）在石墨表面的形成；（2）能够在比石墨更高的电位下储存大量Li⁺，从而在快充初期防止负极电压降至0 V以下；（3）在循环过程中体积变化小，保持结构完整性；（4）对Li⁺具有高亲和力，有利于脱溶剂化过程并促进“裸”Li⁺的快速吸附。基于这些原则，研究者选择了无机的钼氧化物（MoOx）和磷化钼（MoPx）作为促进剂材料。合成过程采用可控且可规模化的表面工程方法：首先通过湿法涂覆将MoO₃溶解于H₂O₂中，在石墨表面沉积约10 nm厚的MoOx纳米层；随后在600 °C下通入由NaH₂PO₂热分解产生的含磷气体，诱导MoOx发生部分磷化相变，在MoOx基体中形成大量MoPx纳米晶。Mo-Cp的负载量控制在1–2 wt%，以最大限度减少能量密度损失。
第二阶段：功能验证。 研究者综合利用密度泛函理论（density functional theory, DFT）计算和实验表征手段验证Mo-Cp的功能。DFT计算构建了六方MoP和正交MoP₂的完全弛豫结构模型，研究了Li⁺嵌入行为、体积变化及Li⁺吸附能。计算结果表明，Li₀.₅MoP的晶格体积膨胀仅为约30%，而Li₂MoP₂在δ=2时体积膨胀约66%。在Li⁺吸附能方面，MoP表面不同位点的形成能为−1.752 eV和−1.920 eV，MoP₂表面为−0.849 eV和−1.108 eV，均远低于石墨的−0.117 eV，证明MoPx对Li⁺具有显著更高的亲和力。实验方面，研究者采用固相法合成了MoPx颗粒（x≈1.6），并通过原位X射线衍射（in situ XRD）证实了MoPx在锂化/脱锂过程中晶格参数变化极小，体现了良好的尺寸稳定性。X射线光电子能谱（XPS）分析显示，经过化成循环后，MoOx/石墨和Mo-Cp/石墨表面Li₂CO₃的形成均被有效抑制，验证了MoOx层在减少电阻性界面膜方面的作用。
第三阶段：电化学性能评估。 将含2 wt% Mo-Cp的石墨负极（面容量2.2 mAh cm⁻²，孔隙率35.0%）与商用LiNi₀.₆Co₀.₂Mn₀.₂O₂（NCM622）正极组装成全电池，N/P比为1.1。在6 C充电条件下，Mo-Cp/石墨全电池仅需7.7分钟即可达到80%荷电状态（state of charge, SOC），远优于USABC的15分钟目标；完全充电时间为18.2分钟，而纯石墨电池为23.6分钟。在100次循环后，Mo-Cp/石墨电池的恒流充电（constant current, CC）模式占比保持在34.3%，而纯石墨仅为20.5%。三电极全电池测试表明，在6 C充电过程中，纯石墨负极电压迅速降至0 V以下，而Mo-Cp/石墨负极电压全程保持在0 V以上，从电化学角度直接证明了析锂的有效抑制。电化学阻抗谱（EIS）结合弛豫时间分布（distribution of relaxation times, DRT）分析揭示了三个特征反应过程：R1和R2对应于Li⁺脱溶剂化及穿过固态电解质界面（solid-electrolyte interphase, SEI）的迁移，R3对应于石墨处的电荷转移反应。Mo-Cp/石墨的DRT峰出现在更短的弛豫时间处，表明界面反应动力学得到显著促进。基于阻抗的温度依赖性计算得出，纯石墨和Mo-Cp/石墨的界面脱溶剂化/迁移反应活化能（Ea）分别为约60 kJ mol⁻¹和29 kJ mol⁻¹，后者显著降低，与DFT计算结果中MoPx降低Li⁺吸附能的结论一致。
第四阶段：循环后表征。 在6 C充电/1 C放电条件下，纯石墨全电池在100次循环后容量保持率仅为约66%，而Mo-Cp/石墨全电池在100次循环后保持约91%，在300次循环后仍保持约84%，且库仑效率（coulombic efficiency, CE）高达约99.8%。循环后拆解电池进行场发射扫描电子显微镜（FESEM）分析显示，纯石墨负极表面出现了厚度约50 μm的枝晶状金属锂层，而Mo-Cp/石墨负极表面清洁无锂枝晶。透射电子显微镜（TEM）和能谱（EDS）分析进一步证实，经过300次循环后Mo-Cp/石墨的形貌几乎未发生变化，表明纳米MoPx分散于MoOx基体中的结构具有良好的循环稳定性。
本研究通过石墨表面协同双相MoOx–MoPx促进剂的设计与合成，成功解决了快充条件下石墨负极析锂的关键问题。MoOx层有效抑制了电阻性界面膜的生长，纳米MoPx则以插层反应机制在较高电位（约0.7 V vs. Li/Li⁺）下快速储存Li⁺，同时降低Li⁺吸附能，促进脱溶剂化和界面迁移动力学。该研究不仅在科学层面揭示了MoPx的Li⁺存储机制和表面吸附特性，而且在应用层面提供了一种易于规模化生产的石墨表面改性技术。由于Mo-Cp/石墨的合成过程简单、材料成本低，且不牺牲电池能量密度，该技术有望加速高能量密度快充锂离子电池的商业化进程。
本研究的突出亮点在于：（1）提出了“协同双相促进剂”的设计理念，将MoOx的界面稳定功能与MoPx的快离子存储功能有机结合；（2）通过DFT计算与原位/非原位实验表征相结合，系统阐明了MoPx的锂化机制和Li⁺吸附行为；（3）在实用的全电池体系中验证了Mo-Cp/石墨负极的快充性能和长循环稳定性，300次循环内无析锂现象；（4）合成工艺简单可控，具备规模化生产的可行性，具有明确的工程应用前景。