武汉大学曹余良/陈重学教授Adv. Energy Mater.:揭示功能溶剂在石墨负极中的可逆共嵌入行为及其抑制策略

要点1 发现多种功能溶剂存在可逆共嵌入行为：首次系统揭示磷酸酯类（TMP、TEP）和砜类（TMS）等常用功能溶剂在石墨中同样存在可逆共嵌入反应，且该反应普遍存在于多种非水溶剂体系中，是导致石墨负极界面不稳定的重要原因；

要点2 阐明共嵌入与分解反应对石墨结构的不同影响：通过调控电压窗口，成功分离溶剂的共嵌入与分解过程。研究发现，共嵌入仅引起石墨层的微观晶格畸变，而后续的溶剂分解则导致石墨剥离与结构坍塌，二者对石墨负极的破坏机制截然不同；

要点3 提出基于成膜添加剂的共嵌入抑制策略：通过选用成膜电位高于共嵌入起始电压的添加剂（如FEC），可优先在石墨表面形成稳定SEI膜，有效抑制溶剂共嵌入，提升界面稳定性与电化学性能。

图1 不同电解质中石墨负极的电化学行为

通过调控充放电电压范围，成功区分出TMP、TEP和TMS三种溶剂在石墨中的可逆共嵌入反应区间与不可逆分解平台。循环伏安测试进一步证实共嵌入反应为法拉第过程，具有高度的电化学可逆性。

图2 共嵌入反应的结构证据与原位观察

XRD结果显示共嵌入后石墨（002）峰消失，出现新的衍射峰，证明形成三元石墨插层化合物。原位光学显微镜显示共嵌入过程伴随石墨颜色变化，进入分解平台后出现气泡，直观揭示共嵌入先于分解发生的时序关系。

图3 共嵌入与分解对石墨形貌与结构的差异影响

SEM与TEM表征表明：溶剂共嵌入仅引起石墨层微观畸变与层间距扩大，而溶剂分解则导致石墨片层剥离与“花瓣状”形貌。拉曼光谱中D峰强度的显著增强进一步证实共嵌入引入结构无序。

图4 共嵌入起始电压的影响因素与添加剂抑制效果

研究发现共嵌入起始电压与溶剂的溶剂化自由能呈正相关，溶剂化能力越强，起始电压越高。通过筛选成膜添加剂（如FEC、VEC、VC、EC），发现仅当成膜电位高于共嵌入起始电压时，才能有效抑制共嵌入，且抑制效果与二者电位差正相关。

图5 共嵌入与成膜抑制机制示意

对比了纯TMP电解质中共嵌入→分解→剥离的链式失效路径，以及添加FEC后优先成膜→抑制共嵌入→实现可逆嵌锂的稳定界面过程，为功能电解质设计提供直观的理论框架。

该研究突破了传统对溶剂共嵌入反应仅限于醚类溶剂的认知，首次在TMP、TEP、TMS等多种功能溶剂中证实了可逆共嵌入的普遍存在，并系统揭示了其与溶剂分解在时序、结构影响与界面机制上的本质差异。通过建立溶剂化能力–共嵌入起始电压的构效关系，提出了基于成膜添加剂优先保护的界面调控策略，为高兼容性电解质的设计提供了新思路。

X. Yan, K. Chen, Z. Chen, X. Ai, and Y. Cao, “Uncoupling Solvent Cointercalation on Graphite Anode in Lithium-ion Batteries.” Advanced Energy Materials (2025): e05287.

https://doi.org/10.1002/aenm.202505287