成果简介：

超快充/闪充技术是国家新能源战略核心及动力电池重要发展方向，石墨、MoS₂、Mxene、GeP₅等层状结构材料凭借其独特的二维传输通道在锂离子电池快充领域展现出巨大潜力，但其固有的较小层间距导致很高的Li⁺扩散能垒，严重限制快充性能的发挥。因此，精准调控层状结构材料的层间距以降低离子扩散能垒、优化传输动力学，成为实现其高性能快充应用的关键科学问题。

近日，海南大学材料科学与工程学院韦雅庆副教授、佛山大学陈永教授与华中科技大学李会巧教授合作，在国际知名期刊《eScience》（IF=52.9）上发表题为“Interlayer engineering regulated high Li-ion diffusion kinetics of layered materials for fast charging batteries”的研究成果。该工作以类蓝磷层状GeP₅为研究案例，创新性提出原子取代策略，通过Si/Sn原子取代GeP₅的锗位点，在几何效应上利用原子半径差异撑开层状结构间距，实现层间距的连续精准调控，且在电子效应上通过电负性变化调控层间范德华力与电荷分布，稳定扩大的层间距并降低能垒促进离子输运。得益于此，GeP₅的层间距由3.287 Å有效拓张至3.458 Å，Li⁺在其层间距的扩散系数由5.71×10^-12提升至6.00×10^-9 cm²/s，扩散系数提升3个数量级，同时扩散能垒由0.898 eV降至0.587 eV，充放电平台电压差由0.59 V降至0.42 V。最终，改性后的Ge_0.7Sn_0.3P₅电极可在12.5分钟内快充至1362 mAh/g，在6分钟内快充至1003 mAh/g，充电量是现有商业化石墨负极的10倍之多，满足美国电池联盟提出的4C快充标准，在软包全电池中也得到有效验证，实现了对手机通讯工具的超级快充。此外，上述原子取代调控层间距的策略也拓展至石墨、MXene、GeS、GeSe、MoS₂、MoSe₂等典型层状结构材料中，证明该策略的有效性与普适性，为下一代新型锂离子电池快充材料的开发提供理论指导和技术借鉴。

创新点一：原子取代策略实现GeP₅层间距的连续精准调控

通过Si/Sn原子取代GeP₅的锗位点，在几何效应上利用原子半径差异撑开层状结构间距，实现GeP₅层间距的连续精准调控，由3.287 Å有效拓张至3.458 Å。同时Si/Sn引入在电子效应上通过电负性变化调控层间范德华力与电荷分布，稳定扩大的层间距并降低能垒促进离子输运。

图1. GeP₅的原子取代及层间距定量化表征

图2. GeP₅、Ge_0.8Si_0.2P₅及Ge_0.7Sn_0.3P₅的成键特性与电子结构表征

创新点二：GeP₅层间距的有效扩张实现锂离子电池超级快充

得益层间距的有效扩张，Li⁺在GeP₅层间距的扩散系数由5.71×10^-12（Ge_0.8Si_0.2P₅）提升至6.00×10^-9 cm²/s （Ge_0.7Sn_0.3P₅），扩散系数提升3个数量级，同时，扩散能垒由0.898 eV降至0.587 eV，充放电平台电压差由0.59 V降至0.42 V。此外，改性后的Ge_0.7Sn_0.3P₅电极对Li⁺容纳导致的体积膨胀系数明显减小，极限电流密度可达20 A/g，可在12.5分钟内快充至1362 mAh/g，在6分钟内快充至1003 mAh/g，充电量是现有商业化石墨负极的10倍之多，满足美国电池联盟提出的4C快充标准，在软包全电池中也得到有效验证，实现了对手机通讯工具的超级快充。

图3. GeP₅、Ge_0.8Si_0.2P₅及Ge_0.7Sn_0.3P₅快充倍率性能和Li⁺扩散系数定量化表征

图4. Ge_0.7Sn_0.3P₅的体积膨胀、全电池组装与快充实场测试

创新点三：原子取代调控层间距的策略可容易拓展至其他层状结构材料，实现其层间距的拓张和快充性能优化，具有良好的有效性和普适性。

得益于上述层间距调控对GeP₅快充性能优化的有效性，将该原子取代调控层间距的策略拓展至石墨、MXene、GeS、GeSe、MoS₂、MoSe₂等其他典型层状结构材料中，发现上述层状结构材料在进行原子取代和层间距拓张后，均实现了快充倍率性能的有效提升，证明该原子取代调控层间距的策略具有良好的普适性，为实现锂离子电池的超级快充提供了全新的技术方案。

图5. 石墨、MXene、GeS、GeSe、MoS₂、MoSe₂的原子取代与快充性能优化

本项目得到了国家自然科学基金（22269008, 22409045）、海南省重点研发计划（ZDYF2022SHFZ297）和海南大学协同创新中心（XTCX2022HYC20）等项目的资助和支持。海南大学材料科学与工程学院韦雅庆、陈斌为论文的共同第一作者，海南大学材料科学与工程学院韦雅庆、佛山大学陈永教授和华中科技大学李会巧教授为论文共同通讯作者。

文章链接：https://doi.org/10.1016/j.esci.2026.100616