新国立John Wang院士团队Adv. Mater.观点：石墨负极层间“Electro-Acceptor桥”助力锂离子电池快充- 大数跨境

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新国立John Wang院士团队Adv. Mater.观点：石墨负极层间“Electro-Acceptor桥”助力锂离子电池快充

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2025-09-01

导读：新国立John Wang院士团队Adv. Mater.观点：石墨负极层间“Electro-Acceptor桥”助力锂离子电池快充

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文章信息

Tailoring Graphite Interlayers with Electron-Acceptor Bridges Raises Ion Diﬀusion Kinetics for Ultrafast Charging Batteries

第一作者：王飞，卢安邦

通讯作者：张成智*，John Wang*

单位：新加坡国立大学，湖南大学，季华实验室

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研究背景

锂离子在石墨负极中缓慢的固相扩散动力学是限制锂电池快充性能的主要瓶颈之一。通过在石墨层间预插入Lewis酸性分子可以调控价带π电子，但目前针对通过电子耦合来优化电荷转移动力学的结构设计仍缺乏系统性研究。在本研究中，在模拟计算的指导下，我们鉴定并开发了一类可嵌入石墨层间的电子受体型氯化铝分子（AC-G），其目的在于通过在石墨层间构建“电子受体桥”，加速锂离子在石墨层间的迁移过程。为实现锂离子电池石墨负极快充特性提供了有价值的见解。

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文章简介

近日，由新加坡国立大学John Wang教授团队领衔，在国际知名期刊Advanced Materials上发表题为“Tailoring Graphite Interlayers with Electron-Acceptor Bridges Raises Ion Diﬀusion Kinetics for Ultrafast Charging Batteries”的研究性文章。新加坡国立大学材料科学与工程系王飞博士与湖南大学材料科学与工程学院博士生卢安邦为该论文第一作者。湖南大学刘洪波教授为本论文提供材料设计合成指导，华南理工大学博士生刘振东参与本论文理论计算，季华实验室与佛山宏璟新能源有限公司为本论文提供商业化锂电池测试。

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本文要点

要点一：“Electron-Acceptor桥”设计

（1）基于客体插入物的物理化学特性，利用高通量手段筛选出六种备选氯化物作为插入客体构建石墨层间“Electron-Acceptor桥”结构。

（2）通过DFT计算确定了单分子AlCl₃为最佳插入客体。

图1. 基于理论计算结果筛选设计“Electron-Acceptor桥”材料结构。

要点二：大批量石墨层间化合物合成

（1）通过石墨层间化合物的合成方法优化，成功将单分子氯化铝插入，并形成特殊的电子耦合桥“C-Al-Cl-C”键，该方法具备大规模生产潜力。

（2）控制插入客体含量0.17 mol%保证了原始石墨结构的稳定特性。

图2. 材料的合成与结构表征。

要点三：锂离子层间迁移动力学优势

（1）设计的Electron-Acceptor桥”石墨具备低的锂离子界面传输和固相迁移阻抗

（2）设计的Electron-Acceptor桥”石墨展现出两个数量级优势的锂离子固相传输效率。

（3）设计的Electron-Acceptor桥”石墨展现出低的层间迁移能垒和弱的空间位阻效应，同时微扩层行为还有效缓解了快充时碳原子间的应力集中。

图3. 锂离子在“Electron-Acceptor桥”结构中的动力学行为测试。

图4. 锂离子在“Electron-Acceptor桥”结构中的迁移过程模拟分析。

要点四：结构稳定性

原位XRD与SIMS结果证明,插入的氯化铝客体不参与电化学反应，继承了石墨负极颗粒的循环稳定。
EELS与XPS颗粒溅射证明，循环后电子耦合桥“C-Al-Cl-C”键依旧在石墨层间稳定存在。
深入分析得出：这种“Electron-Acceptor桥”设计的理念在更大尺寸（12 微米）的石墨颗粒中效果明显。

图5. “Electron-Acceptor桥”石墨结构的循环稳定性分析。

要点五：电化学快充性能

设计的石墨负极具备优异的快充循环（5C）稳定性和高的面容量保持率。。
匹配三元正极后的全电池具备3C快充特性（14分钟充满80%）。
Ah级软包电池在快充（3C）时具备高的能量密度。

图5. “Electron-Acceptor桥”石墨结构的循环性能测试。

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文章链接

Tailoring Graphite Interlayers with Electron-Acceptor Bridges Raises Ion Diﬀusion Kinetics for Ultrafast Charging Batteries

https://doi.org/10.1002/adma.202509207

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通讯作者简介

John Wang教授简介：王家功是新加坡国立大学材料科学与工程系终身教授、博士生导师，长期从事功能材料领域研究。他于2019年当选亚太材料科学院院士，2022年当选新加坡国家工程院院士和新加坡国家科学院（SNAS）院士。在先进材料、能源与制造领域的研究和教育方面拥有30余年的丰富经验。他曾连续两届担任新加坡国立大学材料科学与工程系主任。自2018年起，他担任新加坡国立大学重庆研究院院长，推动材料科学领域的国际合作。目前，王教授的研究重点涵盖新能源、先进材料与制造、能源转换，以及用于绿色能源、增材制造、电子器件、水处理与环境技术的纳米结构材料。迄今为止，他已在国际顶级学术期刊发表论文500余篇，论文总引用次数超过51,000次，H指数达116。王教授自2020年至2024年连续五年入选科睿唯安（Clarivate）“全球高被引科学家”。

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第一作者简介

王飞博士简介：王飞博士目前是新加坡国立大学材料科学与工程系Research Fellow，合作导师John Wang教授。2015-2024本硕博连读于湖南大学材料科学与工程学院，导师刘金水教授，期间多次获得国家奖学金，宝钢奖学金，芙蓉学子，研究生标兵，湖南省优秀毕业生等荣誉与称号。2021-2022在沈阳金属研究所李峰研究员团队联培，主要从事碳材料储能动力学机制研究，2023-2024在季华实验室测试中心实习从事Si/C产线项目研究。迄今为止已发表学术论文33篇，论文总引用次数超过1000次，H指数达16。