在電解質(zhì)中，鋰離子去溶劑化及其在固體電解質(zhì)界面的擴散，是限制石墨基鋰離子電池快充性能的兩大決定性步驟。

在此，華中科技大學武漢光電國家研究中心孫永明團隊研究了不同SEI組分對Li⁺去溶劑化的影響規(guī)律。結(jié)果顯示對Li⁺具有高親和能的SEI組分可以實現(xiàn)快速Li⁺的去溶劑化。具體而言，該工作結(jié)合分子動力學（MD）模擬和密度泛函理論（DFT）研究了常規(guī)SEI組分（包括有機成分、Li₂O、Li₂CO₃和LiF）和Li₃P對負極界面處Li⁺溶劑化結(jié)構(gòu)的影響。

結(jié)果顯示，在所研究的SEI組分中，Li₃P對Li⁺的親和能最強。根據(jù)MD結(jié)果，Li₃P界面的內(nèi)亥姆霍茲層（IHP）附近可以形成低溶劑分子配位數(shù)的Li⁺溶劑化鞘層，從而促進Li⁺快速去溶劑化。基于以上結(jié)果，作者利用S分子對P分子的“橋接”效應(yīng)，在石墨表面構(gòu)筑了超薄P包覆層，制備出“藍”石墨；電池首次循環(huán)時，“藍”石墨表面原位生成連續(xù)的晶態(tài)高離子導電性Li₃P基SEI；LiNi_0.6Co_0.2Mn_0.2O₂ (NCM622)||“藍”石墨軟包電池具有快充性能（10分鐘和6分鐘可分別充滿91.2%和80%的電量）以及在快充條件下（6C, 10分鐘充電）優(yōu)異的循環(huán)性能（~1 Ah，2000次循環(huán)，容量保持率82.9%）。

此外，作者還制作了~3 Ah的電池裝配到手機中用于驅(qū)動手機，10分鐘充電可實現(xiàn)90.3%電量，進一步證明了“藍”石墨是一種性能優(yōu)異的快充鋰電池負極。

圖1. SEI結(jié)構(gòu)表征

總之，該工作使用MD模擬和DFT計算系統(tǒng)研究了SEI組分對電極/電解液界面處Li⁺溶劑化結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，由于Li⁺和Li₃P之間強的相互作用，在Li₃P界面處IHP附近可以形成低溶劑分子配位數(shù)的Li⁺溶劑化結(jié)構(gòu)。配合其高離子電導率特性，Li₃P能夠有效促進Li⁺的去溶劑化和Li⁺在SEI中的遷移。

實驗上，作者開發(fā)了一種“藍”石墨負極材料，它在循環(huán)過程中能夠原位形成連續(xù)的晶態(tài)Li₃P基SEI。Ah級的NCM622||“藍色”石墨軟包電池在大電流充電條件下具有優(yōu)異的快速充電性能、穩(wěn)定的循環(huán)性能和高的能量密度。

因此，該工作揭示不同界面組分對Li⁺溶劑化結(jié)構(gòu)和SEI形成的影響規(guī)律，對快充負極SEI的設(shè)計具有重要指導意義。

圖2. NCM622||“藍”石墨疊片軟包電池的電化學性能

Fast-charging capability of graphite-based lithium-ion batteries enabled by Li3P-based crystalline solid–electrolyte interphase, Nature Energy 2023 DOI: 10.1038/s41560-023-01387-5