石墨中的“雪崩式”嵌入与颗粒内部关联

本文研究了锂离子电池中石墨负极在低锂含量（即‘稀释阶段’，对应LiₓC₆中x≈0至0.25）下的真实充放电行为。过去普遍认为石墨的锂嵌入是分阶段、逐步发生的相变过程，但实验观测长期存在矛盾——尤其在稀释阶段，传统X射线等手段难以捕捉快速、微弱的结构变化。本研究创新性地采用‘电荷光度法’（一种原位光学散射显微技术），在单颗粒尺度上以每秒2帧的速度实时成像，首次清晰揭示：石墨在稀释阶段的锂嵌入/脱嵌并非平滑连续或典型的两相共存，而是由大量瞬时、离散、局部化的‘骤变事件’组成——每个事件在数秒内导致微米尺度区域的快速充放电。这类事件在统计特征（如大小分布、时间间隔）和物理机制上高度类似于物理学中的‘雪崩现象’（avalanche），即无序系统在缓慢外力驱动下，因能量势垒跃迁而产生的级联式突变。研究进一步构建了一个改进的‘各向异性随机场伊辛模型’（RFIM），将石墨晶格中的静态无序（如层间错位、晶界褶皱等）抽象为随机势能扰动。模拟结果成功复现了实验中观察到的雪崩统计规律，以及看似连续的4L→3L等阶段转变。更重要的是，通过像素级时空相关性分析，发现这些‘雪崩’事件并非随机发生，而是存在明确的空间关联模式：相邻区域常同步变化，部分区域更易触发邻近区域响应，且充/放电过程中的传播方向往往相反。这说明每个雪崩对应一个反复出现的、空间局域的亚稳态构型转变，而非简单的相界面推进。综上，本工作指出：石墨内部固有的微观结构缺陷（静态无序）是导致其相变行为异常复杂的关键原因；它把本应统一的宏观相变，拆解为大量空间上分离、时间上离散的局部雪崩事件。这一新认知不仅解释了快充过程中电池性能的非线性变化，也为设计更稳定的高功率电池材料提供了新思路——未来模型需主动纳入无序效应，实验方法也应关注局域动态而非仅看平均行为。