北京理工陈楠博士与中国科学院公旭中博士再次联袂出手在《Energy Storage Materials》发表低LUMO能碳分子界面抑制电解液分解用于快速充电的天然石墨负极文章。工作受到十三五国家重点研发固废专项课题资助，多源石墨固废资源环境属性及资源化利用基础的资助（2020YFC1909601）。
【研究背景】
天然石墨凭借环保和优异的成本效益有极大的潜力作为下一代储能装置的负极材料。然而，由于电解液的分解、较差的质量传输动力学以及锂离子扩散和去溶剂化的高能量障碍，它在平衡稳定性和快速充电方面面临着局限性。目前报道的电解质工程策略仅专注于增强固态电解质界面（SEI）处的锂离子传输，而忽略了锂离子在天然石墨层的扩散。此外，引入电解质添加剂通常伴随着副产物的形成，这会影响电池寿命。
【关键创新】
为了解决这一挑战，该研究提出用一种可控和可扩展的热缩聚法在天然石墨和SEI之间构建一个低LUMO能的碳分子层，同时将F元素引入石墨体相，从而抑制电解质分解，降低每一步Li+传输能垒(包括去溶剂化，在SEI的和石墨层中的扩散)，实现天然石墨负极快速充电和稳定性之间的平衡。
【图文摘要】
【研究内容】
该研究通过在天然石墨和SEI之间构建一层低LUMO能的碳分子界面，同时在石墨层中引入氟原子，以改变电极表面的电荷转移。该中间层含有大量强吸电子和极性官能团(C-F和C-N)。与电解质分解相比，中间层中的官能团具有较低的反应能垒，可以优先快速转化为富含LiF和Li3N的SEI。重要的是，极性官能团之间的电子效应和分子内协同效应使得C-F更容易转化为LiF。中间层的优异性能可以防止SEI酸腐蚀，加速Li+在SEI中的去溶剂化和扩散。体相中的C-F基团促进了电子转移，扩大了离子传递通道和活性位点。因此，天然石墨负极实现了快速充电和稳定性之间的平衡，在10 A g-1下1000次循环后保持64.28%的容量保持率。此外，石墨负极还可以应用于钾离子电池，在0.2 A g-1时达到148.3 mAh g-1容量，证明了该策略在不同电池体系中的潜在应用价值。这种简单有效的界面分子设计为同时调节SEI和抑制电解质分解提供了新的见解。
更重要的是该思路提供了关于同时调控SEI成分、阻止电解质分解和调控体相结构提供新见解，通过设计功能基团同时调控复杂界面化学和电极化学提供了新策略。这种从分子设计层面同时调控界面化学和电极化学的策略，为开发高性能、低成本的快速充电负极提供了全新的解决方案。
通讯作者
陈楠，博士，北京理工大学副教授，博士生导师。2010年师从北京理工大学吴锋院士，2016-2018年在北京大学从事博士后研究工作，2018年入职北京理工大学。
主要从事新能源材料领域的相关研究。包括：固态电解质材料、低温电解质、阻燃电解质材料、金属锂电极材料、新型二次电池材料。讲授本科生课程《化学电源测试原理与技术》和《新能源材料与器件》，作为课题负责人承担国家自然科学基金、北京市自然科学基金、山东省重点研发、中国博士后基金特别资助、中国博士后基金面上资助等，作为研究骨干参与国家重点研发计划项目、国家973计划项目等。迄今在Angewandte Chemie International Edition，Advanced Materials，Energy & Environmental Science，Advanced Energy Materials等国际著名期刊发表研究论文50余篇，获授权专利20项，相关研究成果获得2018年颗粒学会优秀博士论文奖，获2020年北京市科学技术奖一等奖，获2023年中国材料研究学会科学技术奖一等奖。
公旭中，2010年中国科学院化学工艺博士毕业。中国科学院大学岗位教授。从事多场强化电化学过程、碳基电极材料多尺度结构调控等应用基础研究。目前，主要从事天然石墨基负极/电催化材料及硅基负极产业化技术研发。主持4项国家自然科学基金，2项国家重点研发课题，1项科技部西部支宁项目，1项科技部863课题，企业委托项目10余项。发表Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Energy Mater., Energy Storage Mater., Appl. Cat. B: En., Chem. Eng. J., Carbon 等SCI论文100余篇，授权专利20余项，出版3部专著。2020-2023年获得中国教育部优秀成果奖二等奖1项，中国化工学会基础研究成果二等奖2项，中国循环经济学会三等奖1项。主讲中国科学院大学《资源环境化学与工程》研究生课程，2020年获中国科学院大学教育教学成果二等奖和校院两级优秀课程奖，2021年获中国科学院大学思政课教学名师奖，2022年获中国科学院大学优秀讲义奖，2023年获得中国科学院大学朱李月华优秀教师奖。
第一作者
刘月华，太原理工大学在读博士生。从事新能源材料领域的相关研究。主要研究锂离子电池高性能负极材料制备，包括石墨和硅负极。致力于通过表面和体相改性技术来提升石墨负极的倍率和稳定性能。探索石墨与其他材料的复合策略，旨在通过多元复合材料的协同效应来提高电池的整体性能。作为研究骨干参与135国家重点研发多源石墨固废项目。