一、【科学背景】
锂离子电池已成为支撑现代便携式电子设备与电动汽车发展的关键储能技术，其能量与功率性能直接依赖于电极-电解质界面的锂离子嵌入动力学过程。尽管固体中锂离子扩散的预测模型已较为成熟，且Butler-Volmer（BV）方程作为描述离子转移的经典模型被广泛用于电池嵌入动力学分析，但该方程无法解释不同电极材料、电解液体系及操作条件下反应速率的变化趋势。
当前锂电池领域对界面反应机制的认知局限，进一步导致对电池性能瓶颈的判断存在偏差——传统观点多认为锂离子扩散是限制电池充放电速率的核心因素，但实际中电极-电解质界面的电荷转移过程尚未得到充分解析。因此，亟需突破BV方程的框架限制，从微观反应本质出发，建立一套能统一解释多体系实验现象、关联界面微观参数与宏观动力学性能的理论体系，为解决锂电池快充与高功率应用中的动力学瓶颈提供新的科学依据。
二、【创新成果】
为攻克这一难题，美国麻省理工Yang Shao-Horn和Martin Z. Bazant教授等人提出并验证锂离子电池中锂离子嵌入的耦合离子-电子转移（CIET）机制，整合经典离子转移模型与Marcus电子转移理论，解决传统Butler-Volmer（BV）方程微观细节缺失、交换电流密度预测偏差大的问题，还预测出反应速率与锂空位分数的强相关性及量子力学反应极限电流。并且通过电荷调整恒电位脉冲法，在多种电极材料、电解液和温度下测得电流密度随锂空位分数及过电位线性增加，8种电极材料倍率性能呈容量随电流线性衰减，数据可依CIET坍缩到通用曲线。同时证实CIET拟合优度优于BV方程，明确锂电池受CIET反应限制（非扩散限制），为快充高功率锂电池设计提供新依据。
图1. 锂离子嵌入的耦合离子-电子转移（CIET）机制 © 2025 AAAS
图2. 锂离子嵌入速率测量 © 2025 AAAS
图3. 符合耦合离子-电子转移（CIET）理论的实验电流-电压响应 © 2025 AAAS
图4. 基于耦合离子-电子转移（CIET）理论的数据坍缩 © 2025 AAAS
图5. 锂离子电池的反应限制放电容量 © 2025 AAAS
三、【科学启迪】
这项研究颠覆了“锂电池受锂离子扩散限制”的传统认知，明确电极-电解质界面的耦合离子-电子转移（CIET）反应是动力学关键瓶颈。突破Butler-Volmer方程的唯象局限，建立微观机制（如重组能、离子转移自由能）与宏观动力学关联的统一理论框架，能通过“数据坍缩”归一多体系实验数据，无需经验性修正。同时为快充高功率锂电池研发提供明确路径，即通过调控电极重组能、优化电解液参数、维持适宜锂空位分数等改善CIET反应动力学，推动储能技术从经验优化转向机制驱动设计。
原文信息：Yirui Zhang et al. , Lithium-ion intercalation by coupled ion-electron transfer. Science 390, eadq2541(2025).
