仅需4分钟！中科院大连化物所石浩东/吴忠帅新发AM：安时级高功率长寿命软包电池

电动汽车产业的指数级增长迫切需要开发快速推进锂离子电池快充技术；然而，主流的石墨负极在快充场景中面临着由于锂化动力学缓慢和固态电解质界面不稳定导致的容量衰减和寿命缩短的巨大挑战。

2025年7月21日，中科院大连化学物理研究所石浩东、吴忠帅在国际知名期刊Advanced Materials发表题为《Kilogram-Scale Production of Ultrafast-Charging Micro-Expanded Graphite Anode toward High-Power and Long-Life Ah-Level Pouch Batteries》的研究论文，Yangyang Liu是论文第一作者，石浩东、吴忠帅是论文共同通讯作者。

本文报道了一种可公斤级规模化生产的超快充负极材料C@MEG，这种材料由5 nm超薄无序碳层包覆微膨胀石墨构成，克服了传统石墨内部锂扩散动力学瓶颈并重构外部电极–电解液界面。这种独特的结构赋予了材料快速的表面到体相的锂传输能力，使电极极化最小化，增强了赝电容行为，并降低了界面阻抗。

在10 C超快充倍率下，Li||C@MEG电池容量高达157 mAh g^-1，优于原始石墨（71 mAh g^-1）及现有文献石墨负极。组装的1 Ah C@MEG||LiCoO₂软包电池表现出卓越快充循环性能，3 A下循环1000次后容量保持率92%；10 A下功率密度约1500 W kg^-1，仅需4.2 min即可完成充电。

该工作为高能、高功率、长寿命电池提供了一条可规模化超快充负极的实用路径。

图1：C@MEG 材料的形貌和结构表征。（a）C@MEG的制备示意图。（b-d）分别为NG、MEG和C@MEG的SEM图像。（e-g）分别为NG、MEG和C@MEG的HRTEM图像。（h）NG、MEG、C@NG和C@MEG材料的XRD图谱。（i）拉曼光谱。（j）C 1s的XPS谱图。

图2：Li||石墨基纽扣电池的电化学反应和性能。（a）NG和C@MEG在0.05 mV s^-1下的CV曲线。（b）NG和C@MEG在0.1 C下测试的dQ/dV图。（c、d）分别为NG和C@MEG的GCD曲线。（e）从0.1到10 C的倍率性能。（f）C@MEG与最近报道的石墨负极的倍率性能对比。g）3 C下的长期循环稳定性。（h）NG、MEG、C@NG和C@MEG循环后的EIS曲线及对应的DRT曲线。

图3：C@MEG 正极的电化学行为动力学分析。（a、c）分别为MEG和C@MEG的原位XRD图谱。（b、d）分别为MEG和C@MEG的原位EIS光谱。（e）从GITT曲线得出的锂扩散和（ f）不同锂化/脱锂深度的欧姆极化。（g）NG和C@MEG在0.1至2.0 mV s^-1扫描速率下的CV曲线。（h）NG、MEG、C@NG和C@MEG的b值对比。（i）不同扫描速率下电容控制和扩散控制过程的容量贡献比。

图4：3 C循环后电极与电解液的界面特性。（a、b）NG和C@MEG电极在不同Ar⁺溅射时间（0 s、90 s和180 s）下形成的SEI层的F 1s和C 1s XPS谱图。（c）展示 C₆^–、LiF₂^–、PO₂^–、LiO^–和C₂H₂O^–分布的3D重建模型。（d）从TOF-SIMS获取的NG、MEG和C@MEG上LiF₂^–和C₂H₂O^–的2D叠加映射图像。（e）NG、MEG和C@MEG电极的TEM图像。（f）SEM图像。（g）从电荷转移阻抗得出的活化能。

图5：C@MEG的表面至体相锂传输、SEI形成及其在安时级全电池中的应用。（a、b）与NG对比，C@MEG的结构和组成对锂传输与高质量SEI形成的积极影响示意图。（c）1 Ah C@MEG||LiFePO₄软包电池在3 A下的倍率性能。（d）长循环稳定性。（e、f）1 Ah C@MEG||LiCoO₂软包电池在3 A下的倍率性能和长循环稳定性。

综上，本论文研究了一种名为C@MEG的超快充电微膨胀石墨负极材料，通过在微膨胀石墨表面涂覆一层超薄无序碳层，解决了传统石墨负极在快速充电时面临的容量衰减和寿命缩短问题。

在此，C@MEG负极不仅显著提升了锂离子的传输速度，还增强了电极的伪电容行为并降低了界面阻抗，使其在10 C的超快充电速率下仍能实现157 mAh g^-1的高容量，远超原始石墨和其他已报道的石墨负极材料。此外，组装的1 Ah C@MEG||LiCoO₂软包电池在3 A电流下经过1000次循环后仍能保持92%的容量，且在10 A电流下展现出约1500 W kg^-1的高功率密度，充电时间仅需4.2 min。

该研究为高性能锂离子电池负极材料的设计提供了新思路，有助于推动电动汽车等需要快速充电技术的领域的发展。

Kilogram-Scale Production of Ultrafast-Charging Micro-Expanded Graphite Anode toward High-Power and Long-Life Ah-Level Pouch Batteries. Adv. Mater.,  2025. https://doi.org/10.1002/adma.202506584.