通过P掺杂硬碳涂层实现极化减缓，用于快速充电石墨阳极

1成果简介

　　快充能力已成为锂离子电池（LIBs）——尤其是电动汽车用电池——的一项关键要求。然而，传统石墨负极在高倍率条件下存在锂扩散动力学缓慢及显著的界面极化问题，导致倍率性能不佳。本文，清华大学深圳国际研究生院康飞宇 教授、Ze Qin、Huiyu Liang等在《Carbon》期刊发表题为“Polarization reduction through P-doped carbon coatings for fast-charging graphite anodes”的论文，研究提出通过喷雾干燥造粒及后续热解工艺，成功制备了具有P掺杂硬碳涂层的石墨二次颗粒。喷雾干燥造粒工艺增强了石墨的各向同性，缩短了锂传输路径；而磷掺杂硬质碳层则通过增大层间距，加速了锂扩散并缓解了浓度极化。

　　此外，磷掺杂碳层优化的电子结构促进了富含LiF和Li⁺₂CO₃的稳定SEI膜的形成，并降低了界面电荷转移电阻，从而减轻了电化学极化。因此，优化后的负极在6 C下容量保持率为73.2%，在1 C下经600次循环后仍保持82.7%的容量，显著优于原始石墨。本研究展示了一种可扩展且有效的策略，用于缓解石墨负极的界面极化现象，为快速充电锂离子电池负极的工业化发展提供了切实可行的指导。

2图文导读

　　方案一. Schematic illustration of the preparation of G5@HC-xP.

　　Fig. 1. (a1, a2, b1, b2, c1, c2) SEM, (a3, b3, b4, c3, c4) TEM and (b5, b6, c5, c6) EDS elemental mapping images of G5 (a), G5@HC (b) and G5@HC-2P (c).

　　Fig. 2. (a, b) XRD patterns, (c) Raman spectra, (d) SAXS profiles, (e) O 1sspectra and (f) P 2pspectra of various samples.

　　Fig. 3. (a) The first galvanostatic charge/discharge profiles, (b) rate capabilities, (c) dQ/dVcurves and (d) long-term cycling performance of various samples.

　　Fig. 4. (a, b) dQ/dVcurves, (c) EIS profiles, (d) GITT profiles and (e, f) Li+diffusion coefficients of various samples.

　　Fig. 5. (a, b) In-situ XRD contour plots of G5 (a) and G5@HC-2P (b) during charging/discharging at 0.1 C. (c-e) Depth-profiling XPS spectra of G5@HC-2P after 5 cycles. (f) Illustration of advantages of P-doped hard carbon coating.

3小结

　　综上所述，本研究设计并制备了具有P掺杂硬质碳涂层的石墨二次颗粒。该二次颗粒通过喷雾干燥法制备，具体工艺为将细颗粒石墨、树脂粘合剂和含P的植酸添加剂混合后进行热解。喷雾干燥造粒工艺提高了石墨的各向同性，并缩短了电极内部Li+的扩散路径。与原始硬碳相比，P掺杂硬碳层具有更大的层间距，这加速了Li+的扩散，并缓解了电极界面处的浓度极化。值得注意的是，P掺杂碳涂层的电子结构经过系统调节，在初始充电过程中促进了富LiF和Li₂CO₃的SEI层的形成，这进一步促进了Li+的迁移并减轻了电化学极化。因此，优化的 G5@HC-2P 负极在 6 C 下保持了 73.2% 的容量保持率，远优于原始 G5。此外，G5@HC-2P 在 1 C 下经过 600 次循环后仍保持 82.7% 的容量保持率。本研究为降低锂离子电池（LIBs）的界面极化提供了一种可行策略。此外，工业上已成熟的喷雾干燥工艺为快充石墨负极的工业化应用提供了切实可行的途径。

　　文献：
https://doi.org/10.1016/j.carbon.2026.121890

　　来源：材料分析与应用1