学术研究报告：千克级量产超快充电微膨胀石墨负极助力高功率长寿命Ah级软包电池

一、研究团队与发表信息
本研究由中国科学院大连化学物理研究所催化基础国家重点实验室的Yangyang Liu、Haodong Shi（通讯作者）、Zhong-Shuai Wu（通讯作者）等团队合作完成，发表于《Advanced Materials》期刊（2025年，DOI: 10.1002/adma.202506584）。

二、学术背景与研究目标
随着电动汽车产业的快速发展，锂离子电池（LIBs）的快充技术成为关键需求。然而，传统石墨负极在快充场景下面临容量衰减、寿命缩短等问题，主要归因于缓慢的锂化动力学（lithiation kinetics）和不稳定的固体电解质界面（SEI, solid electrolyte interphase）。本研究旨在通过表面-体相协同调控策略，开发一种可规模化生产的超快充电石墨负极材料（C@MEG），以同时解决体相锂扩散动力学限制和电极-电解质界面重构问题，实现高能量、高功率和长寿命的锂离子电池。

三、研究流程与方法
1. 材料设计与合成
- 微膨胀石墨（MEG）制备：以天然石墨（NG）为原料，通过H₂O₂/H₂SO₄混合溶液氧化插层，再经热解脱嵌获得层间距扩大的MEG（层间距从0.335 nm增至0.338 nm）。
- 无序碳包覆：以石油沥青为碳源，通过旋涂和650℃热解在MEG表面形成5 nm厚的无序碳层（disordered carbon coating），最终得到C@MEG。
- 规模化生产验证：实现了千克级C@MEG的制备，验证了工艺的可扩展性（图S48）。

1. 结构表征

   • 显微分析：SEM显示C@MEG呈花瓣状层状结构（图1d），HRTEM证实其表面存在无序碳层（图1g）。
     
   • 光谱与衍射：XRD显示（002）晶面峰位偏移（26.40°对应0.338 nm层间距，图1h）；Raman光谱ID/IG比（0.60）表明高缺陷密度（图1i）；XPS证实表面C─O/C═O官能团增加（图1j）。
     

2. 电化学性能测试

   • 半电池测试：Li||C@MEG在10 C倍率下展现157 mAh g⁻¹的高容量（传统石墨仅71 mAh g⁻¹），且500次循环后容量保持率达90%（图2e,g）。
     
   • 全电池验证：1 Ah级C@MEG||LiCoO₂软包电池在10 A下功率密度达1500 W kg⁻¹（充电时间4.2分钟），1000次循环后容量保持率92%（图5e,f）。
     

3. 机理研究

   • 原位XRD与EIS：证实C@MEG的层间距在锂化过程中进一步扩大至0.373 nm（图3a,c），且电荷转移电阻（Rct）显著降低（图3d）。
     
   • 动力学分析：通过CV和GITT证明C@MEG的电容贡献率达69%（1 mV s⁻¹），锂扩散系数（DLi⁺）提升（图3h,i）。
     
   • 界面化学：TOF-SIMS和TEM显示C@MEG的SEI更薄（20 nm）且富含LiF等无机成分（图4c-f），有效抑制锂枝晶和副反应。
     

四、主要结果与逻辑关联
1. 结构优势：层间距扩大和表面无序碳包覆协同优化了锂离子传输路径，降低了体相扩散阻力（图5a,b）。
2. 性能提升：高电容贡献率和低极化电压使C@MEG在超高倍率下仍保持高容量，且SEI的稳定性显著延长循环寿命。
3. 全电池验证：Ah级软包电池的性能数据证明了该材料的实际应用潜力，填补了快充石墨负极规模化生产的空白。

五、研究结论与价值
1. 科学价值：提出了“表面电容行为+体相插层容量”协同机制，为快充负极设计提供了新思路。
2. 应用价值：千克级量产工艺（图S48）和优异的电化学性能（10 C快充、1500 W kg⁻¹功率密度）使其具备商业化前景，可推动高功率LIBs在电动汽车领域的应用。

六、研究亮点
1. 创新材料设计：首次将微膨胀石墨与超薄无序碳涂层结合，实现多维锂传输通道构建。
2. 规模化突破：攻克了传统改性石墨难以量产的瓶颈，年产工艺成本低、重复性好。
3. 综合性能领先：C@MEG的快充能力和循环稳定性优于已报道的KOH蚀刻石墨、球形石墨等（图2f）。

七、其他价值
研究还揭示了无序碳层对SEI均匀性的调控作用（图4g），为界面工程提供了理论依据。此外，全电池与LiFePO₄、LiCoO₂等多种正极的兼容性（图5c-f）进一步拓宽了应用场景。

（注：文中所有实验数据及图表均引自原文献，具体可参考原文图1-5及补充材料。）