来源：市场资讯
（来源：石墨邦）
【研究背景】
随着电动汽车与电动航空的发展，动力电池不仅需要更高能量密度，也需要接近“加油速度”的超快充能力。然而，快充长期受限于一个核心瓶颈：电极界面。尤其对于高容量硅基负极而言，快充过程中剧烈体积变化会导致固态电解质界面膜（SEI）不断破裂与重构，引发活性锂持续消耗和界面阻抗增加，最终造成容量衰减与安全风险。过去十余年，研究者主要通过电解液工程调控Li+体相溶剂化结构，促进富LiF基SEI形成，以提升界面Li+传输与循环稳定性。但一个关键问题也逐渐浮现：SEI形成发生在电极/电解液界面，真正决定界面还原路径与SEI组成的，是界面溶剂化结构（interfacial solvation structure, ISS）。今年1月，阿德莱德大学乔世璋课题组发表观点文章（Nat. Energy 11, 167–175 (2026)），提出在强界面电场下，ISS与体相溶剂化结构存在本质差异。在传统电解液中，阴离子容易被界面电场排斥，形成溶剂主导的ISS，并生成有机组分富集的SEI。因此，高性能二次电池的一个关键方向，在于：如何在保持传统电解液高离子电导率的同时，在界面构建阴离子富集ISS。
【成果简介】
近日，乔世璋课题组在Nature Energy发表最新研究成果：“Anion-reduction catalytic centers regulate interfacial solvation structures for fast-charging Si anodes”。该工作提出“界面阴离子还原催化（interfacial anion-reduction catalysis）”概念。不同于电解液工程，该方法不以改变体相电解液结构为目标，而是通过电极表面催化中心调控ISS，实现界面阴离子富集与反应选择性调控。作者认为，一个有效的界面阴离子还原催化中心需要同时满足热力学与动力学条件。在热力学层面，催化中心需要稳定阴离子于界面区域并抑制其被界面电场排斥。在动力学层面，则需要降低阴离子还原势垒，促进其优先分解，引导界面反应向无机组分富集SEI形成方向演化。该工作以S空位（MoS2-x）为原型界面催化中心，结合恒电势分子动力学模拟（constant-potential MD）、原位ATR-FTIR以及DFT计算等手段，研究了界面催化中心对ISS演化与SEI形成的调控机制。研究发现，S空位能够在界面形成局域静电势阱，有效抑制界面电场对FSI-阴离子的排斥作用，从而在传统电解液中实现FSI-富集的ISS。该催化中心能够促进FSI-优先还原，并诱导LiF形成超细纳米晶（<5 nm），最终构建出一种具有丰富晶界Li+传输通道的富LiF基SEI。受益于这种催化调控ISS形成的稳定界面，Si基负极实现了~99.94%的平均库仑效率（2-800圈）。在快充条件下，电池能够在10 min内实现~91.4% SOC，并在6 min内达到~85.3% SOC。即使在6 min超快充条件下，仍可实现~240.4 Wh kg-1能量密度。与此同时，Ah级软包电池在6 C循环500圈后仍保持约~72%容量。
本文通讯作者为阿德莱德大学乔世璋院士，第一作者为阿德莱德大学涂水彬博士与帝国理工学院陈明博士。
【核心内容】
研究团队首先通过恒电势MD模拟研究了不同界面上的ISS演化行为。结果发现，硅基界面和S饱和界面在负极极化过程中会排斥FSI-阴离子，导致形成典型的溶剂分子富集的ISS。相比之下，S空位界面表现出截然不同的行为，其能够在界面形成局域静电势阱，显著削弱界面电场对阴离子的排斥作用，从而富集FSI-及Li+- FSI-离子对（CIPs），在传统电解液中实现阴离子富集的ISS。与此同时，原位ATR-FTIR进一步直接捕捉了不同界面在极化过程中的ISS演化。对于S饱和界面，CIPs和自由FSI-特征信号随负极极化逐渐减弱，而C=O伸缩振动和O-C-O振动等碳酸酯溶剂相关信号仅发生轻微变化，说明界面仍维持典型的溶剂主导的配位环境。相比之下，S空位界面在相同极化范围内的CIPs和自由FSI-信号则基本保持稳定，而溶剂相关峰则明显减弱，说明S空位界面能够有效抑制电场排斥作用，并优先稳定FSI-及CIPs于界面区域。该结果与MD模拟预测的ISS重构一致。进一步的DFT计算表明，S空位会在界面形成局域正电势区域，并显著降低FSI-吸附能，从而增强阴离子在界面处的稳定性。
FSI-富集的ISS。
更重要的是，S空位不仅能够富集阴离子，还能进一步改变界面反应路径。缺陷的引入产生了未占据Mo-4d电子态，并使Mo d带中心向费米能级移动，表明界面电子转移能力被显著增强。同时，S空位还改变了FSI-在界面处的吸附构型。研究表明，FSI-中的F原子会更靠近催化中心，从而增强界面电子耦合并促进电子转移。这种界面构型不仅稳定了FSI-吸附，同时也更有利于F释放与LiF生成，从而加速FSI-还原动力学。据此，作者制备了具有S空位催化中心的Si基负极（SV-ISS/Si）。SV-ISS/Si负极在初始嵌锂过程中出现明显FSI-还原峰（~1.54 V vs. Li/ Li+），且高于溶剂分解电位，表明S空位界面能够优先驱动FSI-分解。作者将这一过程定义为interfacial anion-reduction catalysis。即界面催化中心不仅调控ISS，还能够决定界面反应选择性。进一步发现，催化调控ISS能够通过富LiF界面及其丰富晶界构建Li+快速传输通道，从而显著提升界面Li+传输动力学。SV-ISS/Si负极在长期循环过程中实现了~99.94%的平均库仑效率，同时界面阻抗增长较小，表明该界面能够有效抑制副反应并维持长期界面稳定性。
-优先还原，提升Li+传输动力学与循环稳定性。
研究发现，S空位诱导形成富FSI-的ISS不仅能够优先驱动阴离子分解，还能够促进LiF形成超细纳米晶（<5 nm），最终构建出一种由超细LiF纳米晶组成的致密SEI。HRTEM结果显示，该SEI中形成了大量超细LiF晶粒及丰富晶界结构。不同于传统粗大LiF颗粒，超细LiF纳米晶可提供高密度晶界，建立连续Li+快速传输通道，并形成更薄、更均匀、LiF含量更高的致密SEI，从而兼顾快速Li+传输与界面稳定性。这种由催化调控ISS构筑的超细LiF界面结构，能够有效抑制电解液持续分解，并缓冲快充过程中的界面应力，从而实现长期稳定快充。
最终，界面阴离子还原催化带来了优异的快充性能。NCM622||SV-ISS/Si软包电池能够在10 min（6 C）内实现~91.4% SOC，在6 min（10 C）内实现~85.3% SOC。即使在如此极端的快充条件下，电池仍能够维持较低极化与稳定充放电平台，表明该界面具有快速Li+传输能力。更重要的是，该界面化学使电池同时实现了超快充、高能量密度与长循环寿命。~3.37Ah软包电池在6 min快充条件下仍可实现~240.4 Wh kg-1能量密度，并在6 C循环500圈后保持约72%容量。与此同时，循环后的SV-ISS/Si负极仍保持完整结构，未观察到明显颗粒粉化与锂沉积，表明催化调控ISS形成的SEI能够在极端快充条件下持续维持界面稳定性。
【文章结论】
该研究提出“界面阴离子还原催化”概念，证明界面催化中心不仅可以调控ISS，还可决定界面反应路径与SEI形成。研究发现，S空位在界面处形成静电势阱，抑制界面电场对阴离子的排斥作用，从而在传统电解液中实现富含FSI-的ISS。同时，催化调控ISS还能够重构界面反应路径，诱导形成由超细LiF纳米晶构成的致密SEI，从而提升界面Li+传输动力学与稳定性。基于这种界面化学，Si基负极在传统电解液体系中同时实现了超快充、高能量密度与长循环寿命的性能组合。该工作证明，ISS不仅可以通过电解液调控，也可以通过“界面本身”主动调控，为电池界面化学提供了新的研究思路。
Shuibin Tu, Ming Chen, Long Qian, Yukun Lei, Shaojian Zhang, Chao Ye, Clotilde S. Cucinotta, Shi-Zhang Qiao*. Anion-reduction catalytic centres regulate interfacial solvation structures for fast-charging Si anodes Nat. Energy (2026).
https://doi.org/10.1038/s41560-026-02074-x
【作者简介】
乔世璋教授，澳大利亚科学院及工程院双院院士，现任澳大利亚阿德莱德大学(Adelaide University)化工学院纳米技术首席教授，能源与催化材料中心(Centre for Materials in Energy and Catalysis)主任，澳洲ARC电池回收中心(ARC Training Centre for Battery Recycling)主任，主要从事纳米材料在新能源技术领域的应用研究，包括电催化、电池等。作为通讯作者，在国际顶级期刊发表学术论文超过600篇，引用超162,600次，h指数为207(Google Scholar)。乔世璋教授已获得多项重要奖励与荣誉，包括2023年澳大利亚研究理事会工业界桂冠学者(ARC Australian Industry Laureate Fellow)、2021年南澳年度科学家奖、2017年澳大利亚研究理事会桂冠学者(ARC Australian Laureate Fellow)、2016年埃克森美孚奖、以及澳大利亚研究理事会杰出研究者奖(DORA)。乔教授是国际化学工程师学会会士、澳大利亚皇家化学会会士、英国皇家化学会会士等。同时，他担任国际刊物英国皇家化学会杂志EES Catalysis的主编，也是科睿唯安(Clarivate Analytics)/汤姆森路透(Thomson Reuters)化学、材料科学和环境生态三个领域的高被引科学家。
来源：能源学人
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