主要由于其层状结构，石墨通过一系列不同的阶段进行锂插层，这些阶段的阶段号‘N’标识每隔N个石墨烯间隙包含锂。锂化始于稀薄阶段1′L，然后按阶段进行4L→3L→2L→2→1（参考文献4, 5, 6）。后缀‘L’表示充满间隙的稀薄相中没有锂的排序，而阶段1对应于著名的、紧密堆积的LiC6构型。关于石墨的先前研究在进行操作循环时得出了相组成的矛盾报告，尤其是在低锂浓度的‘稀薄阶段’6, 7, 8, 9中。电池材料中的脱锂-锂化过程通常被归类为连续型10, 11, 12, 13或相分离型14, 15, 16, 17，其中文献报道石墨中的锂化具有一阶双相和连续转变4, 5, 6，尽管许多结构研究表明这些类别并不那么明确，尤其是在操作条件下4, 6。这些过程通常通过电化学和高级原位技术进行研究，如X射线、中子或电子衍射。然而，石墨中的稀薄阶段由于原子量低、锂扩散迅速18, 19、亚稳相形成、粒子级异质性20, 21和测量过程中束损伤问题而特别难以研究。这导致与密集阶段相比，稀薄阶段的表征较差，尽管它们在快速充电中的重要作用18。在这里，我们探讨了在稀薄阶段（直到x≈0.25在LxC6中）单个活性石墨粒子中的亚秒级锂化动态，作为温度的函数，使用最近开发的电荷光度法，即一种原位光学散射显微镜。我们表明，稀薄阶段的脱锂-锂化过程通过一系列间歇性步骤事件进行，这一过程与我们之前在LixCoO2（参考文献22）中观察到的一阶双相行为和在LiNixMnyCozO2（参考文献23, 24）单个粒子中的固体溶液扩散有根本区别。这些步骤事件类似于“雪崩”2, 3, 25, 26的噪声，出现在广泛的材料系统中，包括马氏体转变27、磁化28、铁电开关29, 30和流体侵入31, 32。我们利用这一框架开发了一个各向异性随机场伊辛模型（RFIM），并模拟了无序石墨晶格中的锂填充。这定性捕捉了实验雪崩统计和4L-3L转变的明显连续行为4, 6, 7。最后，利用交叉相关函数，我们证明看似随机的雪崩序列具有明确的时空相关模式，这与电子背散射衍射（EBSD）图中的无序有关。光学石墨锂化特征为了在单个粒子水平研究石墨的离子动态，准备了一个光学可接入的半电池（币电池格式），带有自支撑的石墨电极，并使用光学散射显微镜22影像采集，显微镜配备有温度控制的电池支架（图1a）。图1b（顶部）展示了代表性粒子的光学图像，以及在实验后拍摄的扫描电子显微镜（SEM）图像（图1b，底部），突出了嵌入电极中的单个石墨粒子。研究的粒子区域（图1b顶部，红虚线）经过高分辨率SEM和EBSD映射确认对应于单个石墨粒子的基面（补充信息1.1.1节）。图1：实验设置和空间局部离散强度跃变的观察。a, 实验设置由光学显微镜和可光学接入的币半电池组成。石墨电极（50wt％活性物质量）用作工作电极（WE），锂金属用作对电极（CE）和参考电极（RE）。电池连接到温控电池支架和电位计（完整示意图见补充图1）。b, 活性石墨粒子的光学图像（顶部）。虚线红区域表示本文分析的粒子区域。同一石墨粒子的外部SEM图像（底部）。c, 在完整循环期间的电位曲线（顶部）。红色高亮区域表示稀薄阶段区域。在循环过程中（底部）粒子平均的（图1b红虚线区域）光学散射强度。竖线虚线（在c和d中）表示在给定时间或电位下预期的阶段。数值已归一化到初始强度（在c、d、f中）。d, 110 mV到245 mV之间以C/20速率循环期间的电位曲线