6分鐘充電60% 新材料突破鋰離子電池瓶頸

為縮短電動汽車充電時間，科學家一直在積極尋找新方案。

近日，中國科學技術大學俞書宏院士團隊與姚宏斌、倪勇教授團隊合作，以解決鋰離子電池高能量密度與快充性能之間的矛盾為目標，提出并制備出一種新型雙梯度石墨負極材料，實現(xiàn)鋰離子電池在6分鐘內(nèi)充電60%。相關成果近日發(fā)表于《科學進展》。

高能量密度與快充性能難以兼得

當前，鋰離子電池驅動的電動汽車因節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)點受到人們的青睞。然而，電動汽車的充電時間遠長于傳統(tǒng)燃油汽車的加油時間，大大降低了用戶體驗的好感度。

“這主要是因為鋰離子電池中石墨負極較差的倍率性能，限制了電動汽車的快速充電能力。”論文共同第一作者、中國科學技術大學合肥微尺度物質(zhì)科學國家研究中心特任副研究員盧磊磊向《中國科學報》解釋道。

能量密度、功率密度是評價電池系統(tǒng)的兩個重要參數(shù)。能量密度決定著單位質(zhì)量/體積下可以儲存的能量大小，功率密度則決定著電池充放的倍率。理想狀態(tài)下，這兩項參數(shù)越高，鋰離子電池性能越好。然而，高能量密度與快充性能是一對矛盾，是一個“此消彼長”的過程。

“高能量密度通常意味著電池單體活性物質(zhì)載量比較高，電極比較厚，從而具有較長的鋰離子傳輸路徑，限制充放電倍率。”盧磊磊說。為提高石墨負極的倍率性能，傳統(tǒng)策略通常是將石墨電極做到多孔或變薄。“但是，這些方法往往會‘犧牲’電池的能量密度。”

有沒有一種使高能量密度與快充性能“魚與熊掌兼得”的解決方案?俞書宏團隊決定從電極結構設計入手。

給石墨顆粒“排隊”加快充電速度

研究團隊首先構建了一種新型粒子級理論模型，用于同時優(yōu)化電極結構中粒度分布和電極孔隙率分布兩個參數(shù)，提高石墨負極的快充性能。

傳統(tǒng)的二維模型通常將顆粒簡化為均質(zhì)球形并使孔隙均勻分布。事實上，石墨顆粒大小不一、形狀不同，通常以相當隨機的順序排列。同時孔的形狀和大小也非均勻分布。

而新型粒子級理論模型是基于真實的石墨顆粒構建出的三維模型，與現(xiàn)實的電極結構很接近。

在粒子級理論模型中，研究人員按照石墨顆粒的大小順序使其重新“排隊”，同時調(diào)整電極孔隙率大小分布。越接近電池頂部，石墨顆粒越小，孔隙率越高;越接近底部，石墨顆粒越大，孔隙率越低。

研究人員將這種結構稱為雙梯度電極。模擬計算結果表明，在大電流密度充電條件下，這種新結構相對于傳統(tǒng)的隨機均質(zhì)電極以及單梯度電極，展現(xiàn)出了優(yōu)異的快充性能。

理想的結構模型已找到，接下來就是如何在電極中實現(xiàn)。

傳統(tǒng)的電極制備方法中，漿料黏度很高，制備的石墨漿料穩(wěn)定，不易發(fā)生沉降，因此制備出的電極(包括石墨顆粒大小和孔隙率大小)通常都是均勻分布。盧磊磊說，“就像速溶奶粉，取任何一部分都是均質(zhì)的。”

如何構筑一種“異質(zhì)”結構?研究團隊開發(fā)了一種低黏度無聚合物黏結劑漿料自組裝技術，混合銅包覆的石墨負極顆粒以及銅納米線于乙醇溶液中制成漿料，利用不同尺寸石墨顆粒在漿料中沉降速度的差異性，成功構建出模擬計算優(yōu)化的雙梯度結構，得到電極。

研究人員發(fā)現(xiàn)，基于這種新型雙梯度石墨負極材料制備出的鋰離子電池在6分鐘內(nèi)從零充電到60%，在12分鐘內(nèi)從零充電到80%，同時保持高能量密度。

“通常評價電池快充性能都是考量充電到60%或者80%容量的時間。”盧磊磊說，電動汽車制造商通常建議將車輛充電至80%，以保持電池壽命。

6分鐘快充技術離產(chǎn)業(yè)化有多遠?

談到這項研究的最大亮點，盧磊磊表示，該研究“完成了假設、理論模型建立到實驗再驗證的過程，為克服鋰離子電池高能量密度和快充性能之間的矛盾提供了新思路”。

但盧磊磊坦言，目前實驗室的制備方法很難實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，雙梯度結構的設計很難保持電極的一致性。“距離產(chǎn)業(yè)化還有一定距離。”

“目前，團隊正逐步解決這些問題。希望有朝一日這種更高效的電池可以為電動汽車提供動力。”盧磊磊說。

“這種電極結構設計為解決快充難題提供了新思路，建議在大電池中應用以進一步評價其性能。”一位審稿人如是說。

相關論文信息：

https://doi.org/10.1126/sciadv.abm6624