高比能快充锂离子电池

富镍层状氧化物正极和石墨负极构成的锂离子电池的比能量已经达到250-300 Wh/kg，现在有可能制造出里程为300英里的90 kWh电动汽车（EV）电池组。但是，由于有限的原始资源供应和令人望而却步的高成本，使用大型电池来缓解续航焦虑对主流电动车是无效的。10分钟快速充电可以缩小电动汽车电池的尺寸，以实现可负担性和可持续性，且不会造成续航焦虑。然而，高比能电池（超过250 Wh/kg或高于4 mAh/cm²的快速充电仍然存在巨大的挑战。作为应用最广泛的锂离子电池负极材料，石墨的低平衡电位(100 mV相对于Li||Li⁺)可产生高能量密度，但却有析锂的风险；在快速充电过程中，这种有害的副作用会导致电池出现快速的容量损失，并带来安全风险。为了避免和/或尽量减少析锂，同时实现具备厚石墨负极的高能锂离子电池的快速充电，必须加快电化学和传输过程，包括电解液离子传输、锂嵌入动力学和在固体颗粒内的扩散。之前的一些文献从改变锂盐、降低电极曲折度和采用非对称温度调制角度入手来实现快速充电，但是这些研究负载多集中在2–2.6 mAh/cm²，远低于电动汽车电池的要求。

为了实现240 Wh/kg电池在15分钟快速充电条件下循环寿命超过800圈的目标，美国宾夕法尼亚州立大学王朝阳院士团队结合基于非对称温度调制的材料诊断方法与热稳定的双盐电解质，实现了对265 Wh/kg电池的快速充电，在12分钟（或11分钟）内将电池充电到75%（或70%）SOC，循环次数超过900次（或2000次）。这相当于50万英里的里程，其中每次充电都是快速充电。此外，该团队建立了数字孪生电池组，评估其冷却和安全性，并证明了热调制的4C充电只需要空气对流，这为电池到电池组的发展提供了一个内在安全的途径。仅在快速充电过程中产生高活性电化学界面的快速热调制方法，对于实现下一代材料(包括硅和金属锂等负极)的稳定和快速充电具有重要的潜力。

相关成果以“Fast charging of energy-dense lithium-ion batteries”为题发表在国际知名期刊Nature上。论文第一作者和通讯作者为Chao-Yang Wang教授。

图 1. 快充电池的特性图。综述了有关充电比能随充电时间变化的文献研究，在给定的充电条件下，以气泡大小表示循环寿命。

图 2. 高能锂离子电池的非对称温度调制循环。a, 在60 °C恒定1C/1C循环来描述SEI降解。b, 4.2 mAh/cm²电池分别在1C, 1.5C和2C以非对称温度调制方式快速充电到100%, 75%和75% SOC。c, 使用基础电解液的3.4 mAh/cm²电池, 分别在2C, 3C和4C以非对称温度调制方式快速充电到80%, 80%和70% SOC。b和c中的实线表示实际的电池容量损失，而虚线表示由a推导的拟合方程计算出的SEI造成的降解部分。因此，实线与相应虚线的偏差表示由于锂沉积而造成的容量损失部分。CR，容量保持率。

图 3. 离子传输增强的高能锂离子电池的快速充电。a, 非对称温度调制循环的电压和温度分布。b, 快速充电下的容量保持率。c, 快充后获得的比能量。

图 4. 12S1P 150 Ah棱柱电池组的电化学-热耦合模拟。a, 电池结构，电池组模型和吸气式空气对流下的热条件。b, 150 Ah棱柱电池在4C充电，C/3放电循环过程中三个有代表性的时间点上的三维温差图。c, 棱柱电池中最高和最低温度的变化。d, 循环过程中电池的电压变化。

文献来源：Fast charging of energy-dense lithium-ion batteries. DOI: 10.1038/s41586-022-05281-0.

本期投稿：LLL

本期编辑：ZBW

版权所属，转载请注明。

意深才浅，拙著多有不足;

不妨留步，说说您的看法。