6分鐘充電60% 新材料突破鋰離子電池瓶頸

為縮短電動(dòng)汽車充電時(shí)間，科學(xué)家一直在積極尋找新方案。

近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)俞書宏院士團(tuán)隊(duì)與姚宏斌、倪勇教授團(tuán)隊(duì)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(biāo)，提出并制備出一種新型雙梯度石墨負(fù)極材料，實(shí)現(xiàn)鋰離子電池在6分鐘內(nèi)充電60%。相關(guān)成果近日發(fā)表于《科學(xué)進(jìn)展》。

高能量密度與快充性能難以兼得

當(dāng)前，鋰離子電池驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車因節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)受到人們的青睞。然而，電動(dòng)汽車的充電時(shí)間遠(yuǎn)長(zhǎng)于傳統(tǒng)燃油汽車的加油時(shí)間，大大降低了用戶體驗(yàn)的好感度。

“這主要是因?yàn)殇囯x子電池中石墨負(fù)極較差的倍率性能，限制了電動(dòng)汽車的快速充電能力。”論文共同第一作者、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家研究中心特任副研究員盧磊磊向《中國(guó)科學(xué)報(bào)》解釋道。

能量密度、功率密度是評(píng)價(jià)電池系統(tǒng)的兩個(gè)重要參數(shù)。能量密度決定著單位質(zhì)量/體積下可以儲(chǔ)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(xiàng)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(duì)矛盾，是一個(gè)“此消彼長(zhǎng)”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(zhǎng)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(fù)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(huì)‘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(tuán)隊(duì)決定從電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)入手。

給石墨顆粒“排隊(duì)”加快充電速度

研究團(tuán)隊(duì)首先構(gòu)建了一種新型粒子級(jí)理論模型，用于同時(shí)優(yōu)化電極結(jié)構(gòu)中粒度分布和電極孔隙率分布兩個(gè)參數(shù)，提高石墨負(fù)極的快充性能。

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

而新型粒子級(jí)理論模型是基于真實(shí)的石墨顆粒構(gòu)建出的三維模型，與現(xiàn)實(shí)的電極結(jié)構(gòu)很接近。

在粒子級(jí)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(duì)”，同時(shí)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(jié)構(gòu)稱為雙梯度電極。模擬計(jì)算結(jié)果表明，在大電流密度充電條件下，這種新結(jié)構(gòu)相對(duì)于傳統(tǒng)的隨機(jī)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(jié)構(gòu)模型已找到，接下來就是如何在電極中實(shí)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(gòu)筑一種“異質(zhì)”結(jié)構(gòu)?研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種低黏度無聚合物黏結(jié)劑漿料自組裝技術(shù)，混合銅包覆的石墨負(fù)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(gòu)建出模擬計(jì)算優(yōu)化的雙梯度結(jié)構(gòu)，得到電極。

研究人員發(fā)現(xiàn)，基于這種新型雙梯度石墨負(fù)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(shí)保持高能量密度。

“通常評(píng)價(jià)電池快充性能都是考量充電到60%或者80%容量的時(shí)間。”盧磊磊說，電動(dòng)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(shù)離產(chǎn)業(yè)化有多遠(yuǎn)?

談到這項(xiàng)研究的最大亮點(diǎn)，盧磊磊表示，該研究“完成了假設(shè)、理論模型建立到實(shí)驗(yàn)再驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室的制備方法很難實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，雙梯度結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)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(tuán)隊(duì)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(dòng)汽車提供動(dòng)力。”盧磊磊說。

“這種電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為解決快充難題提供了新思路，建議在大電池中應(yīng)用以進(jìn)一步評(píng)價(jià)其性能。”一位審稿人如是說。

相關(guān)論文信息：

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