JACS：时间分辨原位¹³C固体核磁揭示锂-石墨插层化合物相变动力学

石墨负极是锂离子电池的关键材料，其锂嵌入过程伴随多种阶相（LiC6、Li0.5C6、Li0.33C6）的转变，但传统方法难以实时定量这些相变动力学。本研究通过99.0 at.% 13C标记石墨，结合时间分辨原位13C魔角旋转固体核磁共振，实现了分钟级分辨的相变追踪。背景上，石墨嵌锂相变影响电压平台和快充性能，但XRD等因峰重叠而分辨率不足。研究目的在于揭示不同阶相的本征相变机制和速率限制步骤。实验采用化学脱锂避免电化学极化干扰，在80°C准平衡条件下发现相变遵循顺序两相转变（LiC6→Li0.5C6→Li0.33C6），符合JMAK扩散限制模型，其中LiC6→Li0.5C6为速率限制步骤（速率常数约3.1×10⁻⁵ s⁻¹）。在130°C或35°C非平衡条件下，表面脱锂与内部锂重分布不匹配导致相变重叠和三相共存。结论表明，该固体核磁方法有效定量了相变动力学，提出缓解非均匀相变的策略，包括电流调控或结构设计，并为其他插层材料的研究提供了方法学参考。