通讯作者：梁金鼎*、王伟*
通讯单位：宁德时代21C创新实验室、南京大学化学学院
使用设备：元能科技SPECT-1000单颗粒电化学性能测试系统
01 前言
快充，早已成为制约电池迈向更广阔应用的核心痛点之一。而作为锂离子电池中商用最广泛的负极材料，石墨的锂化相变动力学，正是破解快充难题的关键钥匙。
近日，南京大学王伟教授团队联合宁德时代21C创新实验室梁金鼎博士团队，在国际顶级期刊《Journal of the American Chemical Society》（JACS）发表重磅研究成果。团队依托与元能共同开发搭建的高时空分辨工况下光学电化学成像平台，首次在真实电化学条件下，直接可视化了单个商用天然石墨颗粒内的多阶段相变过程，发现了此前从未被报道的“随机成核-受限传播”相变机制，厘清了石墨锂化各阶段差异化的决速步骤，为快充电池的材料设计、充电工步优化建立了全新的统一动力学框架。
02 研究背景：石墨快充，到底被什么卡住了？
在锂离子电池中，锂在石墨中的嵌入会经历一系列有序的阶转变过程，伴随着不同物相的共存与演化。
图1. 石墨材料负极嵌锂过程中的光学响应
过去几十年里，学界对石墨锂化过程中的决速步骤始终存在争议：早期研究普遍认为，缓慢的锂离子固相扩散是石墨锂化的核心限速步骤；而近年研究则发现，界面离子传输对嵌锂速率的影响更为关键。
争议的核心根源，在于石墨的相变过程本就是非均相、非平衡的动态过程。传统的电化学测试（GITT/PITT、EIS）、XRD等技术，缺乏足够的时空分辨率，难以捕捉到单颗粒尺度下的实时相变动态；同步辐射、电镜等技术又对实验条件要求严苛，难以在真实电池工作环境下实现长时间、无干扰的连续观测。
能不能找到一种方法，直接“看”到石墨颗粒里，锂离子到底是怎么一步步嵌入、物相是怎么一步步变化的？这正是这项研究要解决的核心问题。
03 技术突破：眼见为实，“看”清单颗粒锂化全过程
研究团队与元能科技共同搭建了一套单颗粒光学电化学成像系统，这套系统堪称观测颗粒充放电的“火眼金睛”，解决了行业长期以来的技术痛点：
3.1 三维漂移实时校正：通过自研的硬件级漂移校正模块，实现了x-y平面与z轴焦平面的实时主动补偿，解决了长达数天乃至数周的电化学循环中，温湿度波动、颗粒膨胀收缩带来的成像漂移问题，完整保留了颗粒内的局域结构演化信息，为深度定量数据分析铺平道路；
3.2 真实电化学环境兼容：定制设计的光学兼容半电池，与商用扣式电池展现出几乎完全一致的电化学行为，确保了观测结果的可靠性与代表性；
3.3 高时空分辨率成像：空间分辨率接近光学衍射极限，可清晰分辨亚微米级的相变畴区，同时实现了秒级时间分辨率的连续追踪，完整捕捉了从成核到相边界传播的全动态过程。
图2. 实验所用观测装置及光学兼容扣式电池结构示意图
04 颠覆性发现：石墨锂化，不同阶段有着不同的动力学决速步骤
借助这套平台，研究团队发现了一种此前未被报道的相变行为——“随机成核-受限传播”模式。在嵌锂早期的1L-3L与3L-2相变阶段，离散的相变域会异步成核，随后各自在受限的空间范围内传播边界。
图3. 石墨颗粒在3L-2阶相变阶段表现出“随机成核-首先传播”行为
这以特别的相变行为和嵌锂后期2-1阶相变过程中所展示出的经典的“收缩核”相变模式形成了鲜明对比。
图4. 单个商用天然石墨颗粒3L-2阶（上）与2-1阶（下）相变行为的显著差异（比例尺：5 μm）
为什么同一块石墨，不同锂化阶段会展现出完全相反的相变行为？团队通过不同电流密度下的动力学分析，终于揭开了背后的本质原因：石墨锂化的限速机制，是随嵌锂阶段动态切换的。在电位相对较高的早期相变阶段，界面锂离子传输是主导的限速步骤；而随着锂含量升高，在最终的2-1相变阶段，固相扩散成为了新的限速瓶颈。这一发现促使石墨分级相变的统一动力学框架得以建立，澄清了长期以来的学术分歧。
图5. 阶段依赖的决速机制示意图
05 总结与展望
这些结果，为高性能快充电池的理性设计提供了全新的指导。基于对不同阶段限速机制的清晰认知，研究人员可以针对性地优化快充充电协议、设计异质结构的电极颗粒、开发适配的界面化学与电解液体系，从而突破当前石墨负极的快充瓶颈，推动更高功率、更长寿命的快充锂电池的开发。此外，该表征技术也为其他储能材料的反应动力学研究提供了全新的可视化研究平台。
依托与研究团队的联合研发积累，元能科技正式将这套前沿光学电化学成像技术标准化、产品化，推出SPECT-1000单颗粒电化学性能测试系统。
产品介绍：
单颗粒电化学性能测试系统可用于电极材料粉末在单颗粒尺度上进行高通量电化学性能综合测试。系统含有显微成像系统、位置控制系统、光学电化学池与一体化软件，可以实现在工况下原位实时动态测试电池材料的多种电化学性能参数。
产品特点：
• 高质量工况下动态光学成像，以接近光学衍射极限的分辨率纵览真实电池体系内部动态反应过程；
• 超长时间连续稳定拍摄，确保在数以天计的充放电测试过程中测试数据前后定量可比；
• 多种电化学性能测试兼容，单颗粒尺度下的反应活性、动力学常数、相变电位、倍率性能、空间异质性分布、体积膨胀……多维指标，一机全测。
测样&设备咨询：
王工 18059877081（微信同号）
06 论文信息
