快速充电作为二次电池的关键技术之一，近年来引起广泛关注并具有巨大的未来市场发展的潜力。目前，快充技术的目标是15 min（快充，4 C）或10 min（极速充电，6 C）内将电池的电量充满至80%。在快充条件下，电极材料内部及界面传质速率有限，导致电池极化增大、金属沉积、电解液分解等一系列问题，极度影响电池的电化学性能及安全性。

　　在电池在充电过程中，金属阳离子的迁移过程包括金属离子从正极脱出、在电解液中扩散、穿过SEI膜、嵌入到负极等步骤，其中，金属离子脱溶剂化及在SEI膜/负极材料内部扩散是主要能量消耗过程。目前，关于快充电池的研究通常只关注电极材料或电解液本身性质，对于电极材料与界面性质的协同作用机制研究比较匮乏。因此，构建具有快速体相及界面离子传输特性的电极材料，降低电池里面离子传输主要耗能过程的能垒，对发展快充技术具备极其重大意义。

　　本论文采用低温煅烧法合成了碘化聚丙烯腈（I-PAN）负极材料，并且在锂/钠离子电池中展现出优异的快充性能。根据结果得出，I-PAN骨架中的碘，能扩大材料内部离子传输通道、压缩双电层（EDL）、改变内赫姆霍兹层（IHP）结构，形成富含LiF/LiI的固体电解质层（SEI）膜。I-PAN中的C-I键易与电解液中的PF6-阴离子发生“亲核取代反应“生成碘离子，碘离子不仅促进电解液脱溶剂化过程，还能够消除快充条件下在负极产生的死锂。在锂离子电池中，I-PAN在20 A g-1大电流条件下可逆比容量为228.5 mA h g-1（18 s达到0.5 A g-1条件下容量的39%），循环10000圈后容量保持率达到80.7%。

　　此外，I-PANLiNi0.8Co0.1Mn0.1O2全电池在5 C与10 C（充电时间：~5 min）条件下，具有较高的可逆比容量及循环稳定性（容量保持率：~90%，1000圈）。同时，I-PAN在钠离子电池中也表现出较好的快充性能。

　　本文采用低温煅烧法（300 oC/ Ar）制备了I-PAN材料，碘在I-PAN内部主要以C-I形式存在。由于I富有丰富的孤对电子，C-I键的存在显著改变了I-PAN的表面性质。KPFM根据结果得出，I-PAN（~48 mV）相对于p-PAN（~18 mV）表面电势明显提高。结合DFT理论计算，在电解液中Li+与富电子的I相互作用，会提高与I相邻C原子的缺电子程度。这些缺电子C有利于PF6-阴离子吸附，使碘基团更容易受到PF6-阴离子的攻击引发“亲核取代反应”，在电解液中生成游离的碘离子（I-/I3-）。

　　I-PAN独特的表面性质与碘离子在电解质中的溶解作用，显著改变了电解液中锂离子的溶剂化结构。Raman与NMR根据结果得出，I-PAN可以减弱Li+的溶剂化结构。分子动力学（MD）模拟进一步验证了，I-容易进入电解液溶剂化结构内层，削弱Li+-溶剂与Li+-PF6-作用，进而促进电解液的脱溶剂化过程。

　　在全电池里面电解液溶解的碘离子发生I-/I3-可逆反应，可以有效消除快充条件下负极产生的死锂。同时，I-PAN具有较高的表面电势，能够压缩双电层结构，且其内赫姆霍兹层结构发生改变，富含PF6-/I-等阴离子，因此促进生成富含LiF/LiI等无机组分的SEI膜。其次，I-PAN骨架的C-I键可以扩张材料内部离子传输通道并加速Li+传输动力学过程。

　　I-PAN电极由于富含C-I官能团、锂离子溶剂化结构的调节、以及EDL/IHP的改变，对SEI层的形成有显著影响。刻蚀XPS及TOF-SIMS根据结果得出，循环后的I-PAN电极生成富含LiF/LiI等无机组分的SEI膜，具有较高的离子电导率及机械强度，且由外至内LiF/LiI含量逐渐递增。HR-TEM进一步证明，I-PAN电极易生成含LiF/LiI的无机SEI膜，p-PAN易生成无定形结构、有机组分为主的SEI膜。

　　第一作者 马少博：山东大学博士后（导师：李国兴，教授）。博士毕业于哈尔滨工业大学化学工程与技术专业（导师：左朋建，教授），博士期间赴美国加州大学尔湾分校物理系进行交流访问（导师：忻获麟，教授）。主要研究方向为新型高比能/快充二次电池关键材料及器件开发、电化学反应机制及先进表征技术，包括碱金属-硫电池、锂/钠/锌离子电池电极及电解液材料、新型固态电解质等，共发表论文30余篇，H因子16。以第一/通讯作者在Angewandte Chemie International Edition，、Advanced Science、Chemical Engineering Journal、Carbon、Chemical Communications、Materials Today Energy等期刊发表SCI论文10余篇（1篇入选ESI高被引、HOT热点论文）。