近年来电动汽车行业取得了突飞猛进的发展。然而，电动车的消费者接受度和市场渗透率仍然较低，这主要是由于充电耗时。因此，电池快充能力已成为电动汽车行业发展的关键之一。目前锂离子电池快充的主要障碍之一在于石墨的低反应动力学，容易在其表面析锂，导致枝晶生长和容量快速衰减。为了避免锂沉积，包括金属基负极、石墨层改性、表面和缺陷工程，以及弱溶剂化电解液等方法被相继提出。然而，这些方法主要针对在特定条件下的单步动力学进行改进，但受限于随循环条件（SOC、倍率、温度等）瞬时变化的限速步骤的动态迁移。因此，能否在快充期间保持高SOC的同时并消除锂沉积极具挑战。合理利用和调节负极上的可逆锂沉积容量被认为是一种“双赢”的策略，一方面锂沉积不再变得不安全，另一方面快充后负极的SOC可以接近100%。此策略的先决条件在于SEI与负极界面处的锂金属沉积层和锂离子嵌入的化学兼容性。梁正课题组证明，在高倍率充电下，当锂沉积容量占石墨负极总面容量40%时，石墨负极的沉积锂可逆性在局部高浓度电解液（LHCE）中可达到99.5%。

图1. 在含有（和不含有）不同成膜剂的LHCE中硬碳负极库伦效率和析锂可逆性对比

与石墨相比，硬碳（HC）具有丰富的锂活性位点，可以缩短锂离子扩散，并降低局部电流密度，从而拥有更好的倍率性能。实现HC负极上锂沉积的高可逆性对于快充锂电池来说应该更有意义。由于HC缺陷区域的高电化学活性会吸附电解液组分并加速其还原形成SEI，HC上的SEI稳定性和空间连续性很大程度上取决于成膜剂。然而，LHCE系统中成膜添加剂在HC表面上的吸附/分解趋势及其对SEI结构的影响仍然难以捉摸。此外，HC上沉积锂前后SEI的演变尚未得到彻底探索。

图2. 在不同体相下的优化吸附结构的俯视图和侧视图

上海交通大学变革性分子前沿科学中心梁正课题组通过研究碳酸乙烯酯（EC）和氟代碳酸乙烯酯（FEC）在含有缺陷特征的碳基体上的吸附趋势，从而实现了HC表面上具有高离子通量和均匀成分的SEI，以促进均匀且可重复的锂沉积。结果表明，与EC相比，由不对称静电相互作用引起的FEC倾斜构象导致FEC的C=O与缺陷位点之间的吸附较弱。因此，无论HC上的缺陷分布如何，FEC衍生的SEI具有更均匀和优异的空间连续性。与LHCE系统相结合，FEC诱导形成的SEI在调节锂沉积层形态和在循环过程中保持自结构稳定性方面表现出色。在沉积锂占有率大于16%的情况下，FEC在250个循环中保持HC负极的平均库仑效率（CE）为99.8%，而EC系统的库仑效率仅为97.9%。这些发现有助于指导不同负极成膜添加剂的选择，以实现快充锂离子电池的可逆锂沉积。

相关研究成果以“Unveiling adsorption tendency of film-forming additives to enable fast-charging hard carbon anodes with regulated Li plating”为题发表在Energy & Environmental Science上。第一作者为上海交通大学变革性分子前沿科学中心博士后董永腾。通讯作者为上海交通大学变革性分子前沿科学中心副教授梁正、助理研究员岳昕阳。唯一通讯单位为上海交通大学变革性分子前沿科学中心。

论文链接：https://doi.org/10.1039/D4EE00119B