image: 图示为玻璃态MOF涂层促进锂离子预脱溶剂化与快速传输的机理 view more
Credit: ©《中国科学》杂志社
如何实现电池的极速充电？从智能手机到电动汽车，锂离子电池虽已无处不在，但其普及却受制于一个关键瓶颈：充电速度。问题的核心在于石墨负极。在快速充电过程中，锂离子在进入负极材料前难以迅速摆脱溶剂分子，导致金属锂析出和不稳定的固体电解质界面膜（SEI）形成，引发容量快速衰减及严重安全隐患。
传统解决方案如高浓度电解质或表面涂层仅能部分缓解问题，且往往以牺牲倍率性能、成本或工艺可行性为代价。开发能同时加速离子脱溶剂化并确保离子在石墨中快速稳定传输的材料，仍是领域内长期面临的挑战。
玻璃态分子筛：构筑锂离子高速通道
针对这一难题，中南大学常智教授与南京大学周豪慎教授团队开创性地提出采用玻璃态金属有机框架（glassy MOF）涂层策略。通过在商业化石墨表面精准设计具有有序贯功能的涂层——先作为选择性门控，再成为锂离子超高速通道这一关键技术，。发表于《国家科学评论》的研究成果表明，该均匀包覆的石墨负极（Glass@Graphite）可实现突破性的快充性能。
突破性进展源于涂层的动态演化特性。初始状态下超薄（约5纳米）连续的玻璃态涂层，在首次充放电过程中转化为独特的双层结构：外层为具有2.93埃精确孔径的刚性绝缘MOF玻璃，这些亚纳米通道作为分子筛，强制剥离锂离子表面的溶剂分子（预脱溶剂化），并形成高浓度离子环境，诱导构建富含LiF的稳定SEI膜。
与此同时，与石墨接触的内层生成富Li₃P界面。“Li₃P是优异的锂离子导体”常智教授强调，“该层如同离子加速器，促使部分脱溶剂化的小尺寸锂离子超快扩散至石墨体相。”这种将缓慢的脱溶剂化过程与后续传输过程解耦的协同设计，正是该研究的核心创新所在。
全电池性能突破
电化学测试结果令人振奋：在半电池中，Glass@Graphite负极在5C超高倍率下仍保持250 mAh/g的高容量，性能提升达五倍以上。更重要的是，与商用NCM-811正极组装的全电池在4C快充条件下循环1000次后，容量保持率高达88%。该团队进一步研制的2.36 Ah软包电池，能量密度达283 Wh/kg，循环300次后容量保持率超过80%，凸显其商业化潜力。拆解分析显示，石墨表面洁净无枝晶，晶体结构保持稳定，印证了涂层长周期循环的有效保护作用。
快充电池新纪元
这项玻璃态MOF涂层策略为破解石墨负极“脱溶剂化-传输”权衡难题提供了决定性方案。其低温、可规模化制备的工艺特性更契合产业化需求。通过纳米精度调控离子传输的智能界面设计，该研究为兼具极速充电与长寿命特性的下一代锂离子电池发展指明了清晰路径。