近日，国际顶级期刊《Joule》在线发表了 能源与环境学院、新一代储能中心吴宇平教授与贺加瑞教授团队的最新研究成果。论文题为“Suppressed Lithium Plating in Graphite Anodes Enabled by Tailoring the Interfacial Lithium Concentration”（界面锂浓度调控抑制石墨负极析锂行为），研究团队利用“浓度梯度驱动”的设计，解决了锂离子电池传统石墨负极的析锂问题。
石墨负极在大电流密度驱动下面临严峻挑战：锂离子在石墨层间的固相扩散速率远滞后于表面嵌锂速率，导致锂离子在表面持续富集，最终产生“析锂”现象。这些不可逆反的“死锂”不仅造成活性锂的不可逆损失，更成为电池循环衰减与安全风险的重要诱因。
针对上述难题，研究团队独辟蹊径，从固相扩散动力学本源出发，提出了一种“浓度梯度驱动”的全新调控策略。利用硫化聚丙烯腈（SPAN）在石墨表面原位构筑了均匀的富锂界面层（Gr@SPAN）。该界面层锂化后在石墨“表面—体相”之间建立起陡峭的浓度梯度。这一浓度势差持续驱动锂离子向石墨内部快速扩散，有效同步了固相扩散与表面嵌锂的动力学过程，解决了石墨负极在大电流密度下的析锂问题。
图1 材料形貌与结构表征
凭借富锂界面构筑的浓度势差，改性后的石墨负极Gr@SPAN中石墨的嵌锂容量远高于传统石墨负极。通过深度刻蚀XPS的峰强变化，证实了完全锂化后Gr@SPAN负极中包覆层呈现富锂特性。此外，对循环后电极极片的分析直观展示了析锂抑制效果。
图2 浓度梯度验证与析锂抑制效果分析
基于上述结果，研究团队提出浓度梯度驱动抑制析锂的机理模型。该“浓度梯度驱动”策略通过材料本征的物理化学特性（浓度差）来驱动物质运输，为抑制大电流密度下石墨负极的析锂提供了全新思路。
图3 浓度梯度驱动抑制析锂示意图
能源与环境学院2023级硕士研究生贾奥为唯一第一作者，贺加瑞教授为唯一通讯作者。该研究工作获科技部重点研发计划、国家自然科学基金、江苏省重点研发计划、江苏省杰出青年基金和 高层次人才启动经费等项目资助。
文章链接：https://doi.org/10.1016/j.joule.2025.102278