在2026年发表于Angewandte Chemie International Edition期刊的一项研究中，来自上海交通大学前沿科学中心变革性分子团队、张江高等研究院、机械工程学院燃料电池研究所等机构的研究人员Zhiyong Wang, Wei Hao, Tong Duan等，提出了一种突破性的电池化成（Formation）策略。该研究旨在解决商用锂离子电池快充性能受限的核心难题——石墨负极界面固态电解质相间层（Solid-Erolyte Interphase, SEI）的离子传输缓慢问题。
这项研究的学术背景根植于锂离子电池快充技术发展的迫切需求。随着电动汽车的普及，“里程焦虑”和“充电焦虑”成为主要瓶颈。快充时，强烈的电化学极化会引发石墨负极表面析锂，导致容量衰减和寿命缩短。而决定快充电化学的关键步骤在于溶剂化锂离子（Li+）在SEI层的脱溶剂化（Desolvation）及后续传输过程。理想的SEI需要具备高离子电导率以保障Li+快速传输，同时拥有优异的电子绝缘性以阻止电子泄漏、抑制持续的电解液分解和SEI增厚。其中，富含LiF的无机内层因其有利于Li+传输的能垒特性，被视为构建快充电池SEI的关键。然而，商业电池中广泛使用的锂盐LiPF6自身分解动力学迟缓，难以形成富含LiF的SEI，通常需要依赖昂贵的氟化电解液添加剂（如氟代碳酸乙烯酯，其价格约为LiPF6的13倍）。现有策略如局部高浓度电解液或特殊添加剂，往往因成本高昂、与常规电解液相容性差而难以大规模工业应用。因此，研究团队将目光投向电池制造中必不可少但成本极低的“化成”工序，希望通过对化成工艺参数的精确调控，利用电解液自身组分（特别是LiPF6）来原位构建理想的SEI，从而为开发低成本、高性能的快充锂离子电池提供一条极具工业化潜力的新路径。本研究的目标正是开发一种新颖的、不依赖额外添加剂的化成协议，通过调控LiPF6的分解，在石墨负极表面构建富含LiF晶界、薄而致密的SEI，以降低界面Li+传输能垒，最终实现电池的超快、超长循环充电性能。
研究详细工作流程遵循了从基础现象发现、机理探究、工艺开发到性能验证的完整链条，可分为以下几个核心环节：
首先，研究团队通过系统的电化学测试揭示了LiPF6独特的温度-电位耦合分解行为。他们使用石墨||锂金属（Gr||Li）半电池，在25°C至100°C的温度范围内，对基线电解液（1.1 M LiPF6溶于DEC/EC体积比1:1）进行了从开路电位到1.5 V（vs. Li+/Li）的循环伏安（CV）扫描。结果发现，当温度升至80°C时，在~2.28 V处出现了一个新的还原峰，而在25°C或使用LiFSI盐的对照实验中则无此现象。这一发现表明，LiPF6的分解具有强烈的温度依赖性，且需要特定的温度和电位条件同时满足。通过原位变温核磁共振（NMR，包括³¹P和¹⁹F谱）和拉曼光谱（Raman）等技术，他们排除了溶剂热分解的可能性，确认该还原峰源于PF6⁻阴离子的电化学分解反应。基于此发现，团队设计了名为“温度-电位耦合化成”（Temperature-Potential Coupled Formation, TPCF）的新协议。其具体步骤为：在80°C下，以0.05C恒流（CC）模式将石墨负极充电至2.28 V，随后在2.28 V进行30分钟的恒压（CV）保持，之后将电池冷却至室温（25°C），再以0.1C恒流充电至0.01 V。这一设计的核心在于，80°C和2.28 V的恒压步骤旨在最大化地、可控地触发LiPF6分解，从而在石墨颗粒表面预先构筑一层致密的无机（LiF）层；后续的室温化成则允许溶剂分子在已有无机层上温和地还原，形成均匀且薄的有机外层。
其次，为了表征不同化成协议（包括TPCF、全程室温化成RTF、全程80°C高温化成HTF）所形成SEI的物理化学性质，研究采用了多种先进的材料表征技术。利用原子力显微镜（AFM），他们观察到在80°C-2.28 V条件下形成的无机层由密集且均匀的纳米颗粒覆盖，而在25°C-1.5 V条件下形成的无机层则稀疏且不均匀。结合纳米红外光谱（Nano-IR），他们定量分析了SEI中有机组分（如锂乙烯二碳酸酯LEDC）的含量，发现HTF会导致溶剂过度分解形成过厚的有机层，而TPCF和RTF的有机层厚度相近，但TPCF的覆盖更均匀。最关键的是，通过高分辨率冷冻透射电镜（Cryo-TEM），他们直接观察到TPCF形成的SEI仅厚约18-35 nm，比RTF的更薄。其内层主要由多晶LiF颗粒组成（富含利于Li+快速传输的晶界），外层则为嵌有Li2CO3微晶的非晶有机层。通过飞行时间二次离子质谱（ToF-SIMS）的三维深度剖析，进一步证实了TPCF-SEI中LiF和无机副产物LiPO2F2的含量更高，而有机组分（如CHO₂⁻）更少。这些微观结构表征共同揭示了TPCF协议成功构建了薄、致密、富含LiF晶界的理想SEI结构。
再次，在界面性质与传输动力学研究环节，研究团队通过一系列电化学测试量化了SEI的性能。使用Gr||Li半电池进行倍率性能测试，发现TPCF电极在4C高倍率下仍能保持~280 mAh g⁻¹的比容量，显著优于RTF和HTF电极。通过变扫速CV和电化学阻抗谱（EIS）计算了Li+在SEI界面和电极内部的扩散系数，结果表明TPCF电极具有最高的界面Li+扩散速率，而其石墨体相的本征扩散性质并未改变，证实性能提升源于优化的SEI界面。进一步，通过变温EIS计算了Li+脱溶剂化活化能（Ea,ct）和穿越SEI的传输活化能（Ea,sei）。结果显示，TPCF具有最低的Ea,ct（49.0 kJ mol⁻¹），这归功于致密LiF层促进了Li+脱溶剂化；同时，其Ea,sei也较低，因为其有机层厚度受控。而HTF虽有致密无机层，但过厚的有机层增加了传输阻力；RTF则因无机层稀疏导致脱溶剂化困难。这些数据清晰地阐明了TPCF-SEI通过协同优化无机层（增强脱溶剂化、提供晶界快导通道）和有机层（保持薄而均匀），从物理上降低了Li+穿越界面的总阻力。
接着，研究转向了全电池（Gr||LiFePO4）的实际性能验证，这是评估技术工业可行性的关键一步。团队首先通过三电极体系确定了对应于石墨电位2.28 V的全电池充电电压为1.19 V，并据此设定了全电池的TPCF协议。制备的软包电池（正负极面密度分别为18.5和10.0 mg cm⁻²）在1C至6C的倍率下，TPCF电池的容量保持率均优于RTF电池。特别是在6C（10分钟充满）的超快充条件下，TPCF电池展现了惊人的长循环稳定性：循环3304周后容量保持率为80%，循环8940周后仍保持70.5%的容量，远超RTF电池（3300周后降至54.2%）。循环后的电化学阻抗和电极形貌分析表明，TPCF电池界面阻抗增长缓慢，且石墨负极孔隙结构保持完好，而RTF电池则因严重极化导致析锂和“死锂”堆积，堵塞了电极孔隙。此外，通过开尔文探针力显微镜（KPFM）测量接触电位差，计算出TPCF-SEI具有更高的功函数（7.57 eV vs. RTF的4.85 eV），说明其电子绝缘性更强；通过AFM力谱测量发现其杨氏模量（~6-9 GPa）是RTF-SEI（~2-4 GPa）的2-3倍，表明其机械强度更高，更能抑制枝晶生长。这些性质共同解释了TPCF电池优异的快充循环寿命。
最后，为了深入理解温度-电位耦合促进LiPF6分解为LiF的化学机制，研究团队进行了详尽的原位产物分析。通过原位³¹P和¹⁹F NMR，他们检测到电解液中在80°C-2.28 V条件下生成了可溶性的PO2F2⁻。通过差分电化学质谱（DEMS），他们监测到TPCF在高压段产生了比RTF更多的H2气体，而在低压段产生的C2H4气体略少。结合固体产物（LiF）的ToF-SIMS深度分布数据，他们提出了一个耦合热-电化学反应机理：升温（80°C）促进了PF6⁻分解产物POF3的进一步水解（产生HF、PO2F2⁻和H⁺），而施加的电位（2.28 V）则电催化了H⁺的析氢反应（HER）。HER持续消耗H⁺，驱动水解平衡正向移动，从而源源不断地生成LiF并沉积在石墨表面，直至完全覆盖并终止反应。电解质Li⁺迁移数随温度升高而增加，以及变温拉曼显示Li⁺溶剂化程度降低，都为该反应提供了有利条件。该机制完美解释了为何需要温度和电位“耦合”才能高效、彻底地将LiPF6转化为理想的LiF SEI层。
本研究的主要结论是：成功开发了一种具有高度工业可行性的TPCF策略，该策略利用LiPF6在2.28 V-80°C条件下的电化学分解，成功在石墨负极上构筑了薄而富含LiF晶界的SEI。这一协议克服了LiPF6成膜性差的固有缺陷，无需任何昂贵的氟化添加剂，为提升商用锂离子电池的快充性能提供了一条低成本、可扩展的路径。研究揭示了LiPF6通过耦合热-电化学反应完全分解为LiF的机理，并实现了对SEI厚度和组成的精确控制。所得SEI具有更低的Li⁺脱溶剂化和传输能垒、更高的功函数（电子绝缘性）和杨氏模量（机械强度），能有效抑制析锂和枝晶生长。最终，采用常规LiPF6和碳酸酯电解液的Gr||LiFePO4全电池在6C超快充条件下实现了超过8940周的长循环寿命，其性能优于目前报道的多种先进的电解质工程策略。
本研究的亮点和创新之处在于：1. 重要的科学发现：首次系统揭示了LiPF6在特定温度（~80°C）和电位（~2.28 V vs. Li+/Li）下存在一个显著的还原分解途径，这是构建富含LiF SEI的关键。2. 新颖的方法论：提出了“温度-电位耦合化成”（TPCF）这一全新的、非材料的电池制造工艺协议。它将热力学（温度）与电化学（电位）调控相结合，精准地分步构筑SEI的无机内层和有机外层，是一种极具巧思的界面工程设计。3. 卓越的性能与应用价值：实现了仅使用最廉价、最主流商业材料（LiPF6，常规碳酸酯电解液）条件下，电池快充性能（6C，8940周）的飞跃，其性能指标处于国际领先水平。该技术几乎不增加生产成本，与现有产线兼容性强，工业化转移潜力巨大。4. 深入系统的机理阐释：从微观结构（Cryo-TEM观察到LiF多晶与晶界）、界面动力学（活化能分解）、到化学反应路径（原位NMR/DEMS结合提出的耦合机理），形成了一个完整、自洽且深刻的证据链，为理解SEI形成化学提供了新的洞见。这项研究不仅为快充锂离子电池的发展提供了切实可行的解决方案，也深化了学术界对电解质分解动力学和SEI可控生长这一基础科学问题的认识。