研究背景
发展高能量密度且具有快速充电能力的锂基可充电电池对满足当前快速发展的便携式电子设备、电动汽车、电网能量存储等需求至关重要，但当前石墨负极的电荷转移动力学缓慢，限制了石墨基锂电池的快充性能。使用高容量负极如合金型负极和锂金属负极虽能显著提升电池能量密度，却在面临充放电过程体积变化大、副反应严重等问题。这些问题严重限制了高能量密度锂基可充电电池的快充性能和循环寿命。
工作简介
基于以上问题，华中科技大学孙永明教授课题组在国际顶级能源期刊Energy & Environmental Science上发表了题为“Anode Interphase Design for Fast-Charging Lithium-Based Rechargeable Batteries”的综述论文。本综述并对负极界面及其功能进行了分类，深入解析了负极界面设计对提升锂基可充电电池的关键作用和设计原则，并为未来的锂基可充电电池负极界面提出了见解和方向。
内容表述
在本综述中，作者根据负极界面在电池中所处的物理/化学环境，将负极材料的界面分为“外界面”和“内界面”。外界面位于活性材料与电解液之间，可物理隔离活性材料与电解液，促进锂离子去溶剂化和锂离子在界面处的扩散，影响电化学反应动力学。内界面嵌套在负极材料内部，能有效增加反应面积、提高反应动力学，对高容量负极的结构稳定性和反应速率提升尤为重要。进而结合典型的界面设计案例对内外界面的设计策略进行了综述，提出了增强锂基可充电电池快速充电能力和循环寿命的外界面和内界面设计原则。最后，该论文探讨了负极界面工程的合理设计方向和基本原则，以支持其在各种条件下更广泛的应用。
具体核心内容如下：
图2根据界面在电池中所处的物理/化学环境对电极类型和界面类型进行了分类，外界面指的是活性材料与电解质之间的界面。外界面为固液相界面，在物理上将活性材料与电解液隔离并发生电荷转移过程。因此，外界面对于负极的电化学反应动力学和稳定性方面发挥着关键作用。这种界面可以通过界面工程构建，也可以在电化学形成循环期间通过电化学反应建立，即固态电解质界面（SEI）。内界面为固固相界面，其被封装在负极材料内部，从而实现与电解质的直接物理隔离，增加电化学反应面积和提高电化学反应动力学。
图3展示了通过外界面设计促进锂离子在界面传输速率的典型案例，可通过引入高离子电导率成分（如Li3P、Li3N等）、优化电解液（形成富含无机成分的 SEI 膜）来促进锂离子在界面的传输。
图4展示了通过外界面设计促进锂离子去溶剂化的典型案例，通过引入对锂离子具有高吸附能、低配位数的组分（如Li3P），可显著促进锂离子的去溶剂化过程。同时，该部分也分析了外界面与电解液之间的相互作用。
图5展示了通过内界面设计增加内部反应面积以及调控锂离子传输路径的典型案例。使用高比容量负极会带来新的挑战，包括缓慢的嵌锂动力学和充放电过程显著的体积膨胀。这些因素最终导致负极的快速充电和放电能力下降，以及在一定循环次数后电极或材料结构的退化。因此，材料内部的内界面设计具有十分重要的意义。内部交联的独特结构有助于提高材料利用率，加快电化学反应动力学，并确保这些高容量负极的长期稳定性。并且活性材料和可用于电化学反应的功能相之间丰富的接触面积提升了电化学反应动力学。
图6展示了通过电极曲折度调控和锂离子迁移数调控提升厚电极快速充放电能力的典型案例。增加负极的活性物质负载量能够有效降低电池中诸如集流体和隔膜等惰性组件的重量比例，从而提高整体能量密度，但会不可避免地增加电极厚度。可通过降低电极的迂曲度以及构建液/固双相锂离子迁移路径来改善厚电极中的离子传导，进而提高电池的快速充放电能力。
图7展示了通过构建内界面，增加锂金属箔反应面积的典型案例。因为纯箔材电极仅顶部与电解液接触的表面才参与电化学反应，与多孔颗粒电极相比，箔材电极的电化学反应面积显著减小。有限的电化学反应面积，再加上锂金属箔电极中锂离子扩散缓慢，最终导致电化学反应速率较低，导致了锂枝晶的生长。内界面的设计将电化学反应位点从电极表面转移到箔状电极内部，不仅可以抑制电解质的腐蚀，还能增加电化学反应面积。在锂金属箔电极内部引入具有高锂离子/电子导电性的框架，将内部空间划分为微反应区，为电极内部高效的锂离子/电子扩散提供了丰富的内置通道，从而显著提高了电化学反应动力学。
文献详情
Xiancheng Wang, Zihe Chen, Shiyu Liu, Shuibin Tu, Renming Zhan, Li Wang and Yongming Sun*， Anode Interphase Design for Fast-Charging Lithium-Based Rechargeable Batteries（2025）.
原文链接：
https://doi.org/10.1039/D4EE06107A
通讯作者简介
孙永明，华中科技大学武汉光电国家研究中心教授，博士生导师，入选国家高层次青年人才项目，《麻省理工学院科技评论》“TR35 全球科技创新领军人物”（35 Innovators Under 35）中国区榜单。长期从事新型储能材料与技术（锂离子电池、锂金属电池等）等方向的科学研究，在新型储能材料与技术相关领域取得了一系列重要进展，在知名国际期刊发表通讯作者或第一作者论文60余篇，包括3篇Nature Energy。此外，获得授权国内外专利20项。据google scholar, 所发论文引用超过24000次，H因子为69。
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