同济大学杨正龙教授课题组，COMPOS PART B-ENG：界面修饰解决石墨负极在快充与热稳定性之间的矛盾

随着新能源智能网联车辆的迅速普及，对高性能锂离子电池的需求持续增长，其中快速充电能力已成为产业界和学术界研究的核心重点。在传统商用锂离子电池中，正极材料通常被认为决定电池的能量密度，而负极材料则主要影响电池的倍率性能或功率密度。凭借优异的导电性、化学稳定性和成本优势，石墨已成为商用锂离子电池中最广泛采用的负极材料。在快速充电过程中，锂离子从正极穿过电解液迁移至负极，并嵌入其晶格。然而，当负极材料的锂离子存储能力不足时，未能嵌入的过量锂离子会以金属锂或其他副产物形式沉积在负极表面。这些沉积不仅消耗活性锂和电解液，还会导致电极结构退化，最终加速容量衰减，严重限制锂离子电池的快充性能。

为提升快充性能，研究者提出了构建多孔或多通道结构、扩大层间距、杂原子掺杂、无定形碳包覆以及优化颗粒形貌等策略。商用石墨负极常采用沥青衍生无定形碳作为包覆材料，其较大的层间距和丰富的结构缺陷能够提供更多锂离子传输通道和存储位点，从而增强快充能力。然而，无定形碳与高度石墨化的碳相比具有更多缺陷、未配位键和较大的比表面积，表面反应活性高。在高温条件下，这些活性位点容易吸附并活化电解液溶剂和盐分解产物，从而催化溶剂分解、有机碎片聚合等放热副反应，导致 SEI 膜加速劣化、气体生成以及碳材料氧化，最终引发快充能力提升与高温性能下降之间的矛盾。因此，提高界面稳定性、抑制高温副反应并同时保持快速锂离子传输，是构筑兼具快充性能和高温稳定性的石墨负极的关键。人工界面涂层是一种有效策略，但在惰性石墨表面实现致密、连续、附着牢固并兼具快速去溶剂化与高效离子传导能力的涂层仍存在显著挑战。

在本研究中，我们提出了一项界面工程策略，可在保持快速充电能力的同时，有效抑制溶剂共嵌、提升 Li⁺ 传输效率，并在高温条件下稳定电极界面，从而推动安全耐用的快充锂离子电池发展。通过在石墨表面引入无定形碳包覆并进一步构筑 Mo₂N–MoP（MoNP）纳米层，构建了多维 Li⁺ 传输网络和高电子导电通道，显著优化界面电荷转移动力学。这些传输通道来源于 Mo₂N 与 MoP 纳米域间的晶界互连结构，以及 Mo–N/Mo–P 极性键所提供的快速 Li⁺ 迁移路径，两者协同加速界面离子扩散。同时，MoNP 的低去溶剂化能能够增强 Li⁺ 扩散动力学、降低局部过电位、减少界面离子堆积，从而有效抑制快充条件下的锂沉积。此外，MoNP 层作为坚固的物理屏障，凭借强 Mo–N/Mo–P 键实现较高机械强度，可缓解体积膨胀并防止 SEI 破裂；其导电 Mo₂N 相与具有 Li⁺ 亲和性的 MoP 相共同构建快速电子/离子传输通路，降低界面阻抗并减少副反应。最终，以 NCM523 为正极、MoNP/石墨（MoNP-Gr）为负极组装的全电池展现出卓越的快速充电性能：可在 5.4 分钟内充至 80% SOC，并在 8C 条件下循环 400 次仍保持 84.39% 的容量。同时，该体系在 48 °C、5C 条件下亦表现出优异的高温循环稳定性（容量保持率 84.6%），0.7 Ah 软包电池进一步验证了其在高温环境下出色的倍率性能和长期循环寿命。本研究展示的界面工程策略有效突破了传统碳包覆石墨的局限性，为开发下一代快充、高性能锂离子电池负极材料提供了重要思路。

半电池测试显示，MoNP-Gr 具高初始效率和稳定平台，其比容量达 387.6 mAh g⁻¹，高于 C-Gr 与石墨理论值，来源于石墨插层、MoP 转化/合金化及 Mo₂N 赝电容的协同贡献，并受益于异质界面快速传输通道。其平均 Li⁺ 扩散系数显著更高（7.51×10⁻¹⁰ cm²·s⁻¹）。在 5C 下仍保持 298 mAh g⁻¹，2C 循环 2000 次容量保持率 81.2%。全电池在 8C 下 5.4 分钟可达 80% SOC，优于 C-Gr。

在高温条件下，MoNP-Gr 体现优异界面稳定性：60 °C 存储 30 天容量保持 97.2%。48 °C 下的 CV 与 GITT 显示其具有更高 b 值与更大 Li⁺ 扩散系数，动力学更快。NCM523‖MoNP-Gr 全电池在 48 °C、5C 循环 400 次保持 84.6%，软包电池在 48 °C、1C 循环 200 次保持 95.5%。DSC 放热更弱、分解温度更高，热稳定性显著提升。

DFT 表明 MoNP 降低 Li⁺-EC 脱溶剂化能垒并加速界面迁移。循环后 XRD 与拉曼证明 MoNP-Gr 结构更完整，SEI 更稳定；SEM显示无碎裂与沉积。XPS 表明其形成致密且富 LiF 的稳定 SEI。Mo₂N-MoP 协同提升界面稳定性、抑制副反应与枝晶，实现高温快充下优异寿命与安全性。这项研究强调了 MoNP 界面工程在稳定快速充电石墨负极中的关键作用，为设计具有强大工业应用价值的下一代快速充电锂离子电池提供了重要的灵感和切实可行的途径。

同济大学材料科学与工程学院博士研究生韦焕明为论文的第一作者，杨正龙教授为通讯作者，课题组致力于锂离子电池负极材料、固态电解质、水系锌离子电池和有机/无机纳米复合材料及光电器件相关方向的研究