新材料突破鋰離子電池瓶頸,5-10分鐘充滿(mǎn),充電能和加油一樣快嗎?

為縮短電動(dòng)汽車(chē)充電時(shí)間，科學(xué)家們一直在積極尋找新方案，近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)俞書(shū)宏院士團隊與姚宏斌、倪勇教授團隊合作，致力于解決鋰離子電池高能量密度與快充性能之間的矛盾，提出并制備出一種新型雙梯度石墨負極材料，實(shí)現了鋰離子電池在6分鐘內充電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是一對矛盾

當前，鋰離子電池驅動(dòng)的電動(dòng)汽車(chē)因其節能、環(huán)保受到人們青睞。然而，電動(dòng)汽車(chē)的充電時(shí)間遠長(cháng)于傳統燃油汽車(chē)的加油時(shí)間，大大降低了使用體驗感。

“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(dòng)汽車(chē)的快速充電能力?！闭撐墓餐谝蛔髡?、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心特任副研究員盧磊磊向《中國科學(xué)報》解釋。

能量密度、功率密度是評價(jià)電池系統的兩個(gè)重要參數。能量密度決定著(zhù)單位質(zhì)量/體積下可以?xún)Υ娴哪芰看笮?，而功率密度則決定著(zhù)電池充放的倍率。理想狀態(tài)下，這兩項參數越高，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(gè)“此起彼伏”的過(guò)程。

盧磊磊說(shuō)，“高能量密度通常意味著(zhù)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(cháng)的鋰離子傳輸路徑，限制充放電倍率?！?/p>

因此，為提高石墨負極的倍率性能，傳統的策略通常是將石墨電極做到多孔或變薄。 “但是，這些方法往往就會(huì )犧牲所制備電池的能量密度?！北R磊磊坦言。

有沒(méi)有一種解決方案，能夠實(shí)現高能量密度與快充性能“魚(yú)與熊掌”的兼得?俞書(shū)宏團隊決定從設計電極結構入手，在保證能量密度的情況下提升鋰離子電池的快充性能。

給石墨顆?！芭抨牎奔涌斐潆娝俣?/h3>

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

盧磊磊介紹，傳統的二維模型通常簡(jiǎn)化顆粒為均質(zhì)球形以及孔隙均勻分布。事實(shí)上，石墨顆粒多是大小不一、形狀不同，通常以相當隨機的順序排列。同時(shí)孔的形狀和大小也非均勻分布。

而新型粒子級理論模型是基于真實(shí)的石墨顆粒構建出的三維模型，與現實(shí)的電極結構很接近?！　≡诹Ｗ蛹壚碚撃Ｐ椭?，研究人員按照石墨顆粒大小的順序重新“排隊”，同時(shí)調整電極孔隙率大小分布。具體表現為，越接近電池頂部的石墨顆粒更小，孔隙率更高，越接近底部顆粒更大，孔隙率更低。

“我們將這種結構稱(chēng)之為雙梯度電極?！北R磊磊說(shuō)，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的隨機均質(zhì)電極以及單梯度電極，展現出了優(yōu)異的快充性能。

理想的結構模型已找到，接下來(lái)就是如何在電極中實(shí)現。

傳統的電極制備方法中，由于漿料黏度很高，制備的石墨漿料穩定，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(shuō)，“就像速溶奶粉，取任何一部分都是均質(zhì)的?！?/p>

如何構筑一種“異質(zhì)”結構?研究團隊開(kāi)發(fā)了一種低粘度無(wú)聚合物粘結劑漿料自組裝技術(shù)，混合銅包覆的石墨負極顆粒以及銅納米線(xiàn)于乙醇溶液中制成漿料，利用不同尺寸顆粒石墨在漿料中沉降速度差異性，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，基于這種新型雙梯度石墨負極材料制備出的鋰離子電池分別在5.6分鐘和11.4分鐘從零充電到60%和80%，同時(shí)保持高能量密度。

6分鐘快充技術(shù)離產(chǎn)業(yè)化有多遠，那完成100%充電需要多長(cháng)時(shí)間?

“其實(shí)，這是一個(gè)誤區。通常評價(jià)電池快充性能都是考量充電到60%或者80%容量時(shí)間?！北R磊磊說(shuō)，比如電動(dòng)汽車(chē)制造商通常建議將車(chē)輛充電至80%，以保持電池壽命。

談到這項研究的最大亮點(diǎn)，盧磊磊認為，“就是完成了一個(gè)假設、理論模型建立到實(shí)驗再驗證的過(guò)程，為克服鋰離子電池的高能量密度和快充性能之間的矛盾提供了新的思路?！?/p>

“距離產(chǎn)業(yè)化還有一定距離?！北R磊磊坦言，比如目前實(shí)驗室的制備方法很難實(shí)現大規模生產(chǎn)，雙梯度結構的設計很難保持電極的一致性。

“目前，團隊正逐步解決這些問(wèn)題。希望有朝一日這種更高效的電池可以為電動(dòng)汽車(chē)提供動(dòng)力?！北R磊磊說(shuō)。

“這種電極結構設計給解決快充提供了新思路，建議在大電池中應用進(jìn)一步評價(jià)其性能，同時(shí)比較關(guān)注電極制備成本?！币晃粚徃迦巳缡钦f(shuō)。

“距離產(chǎn)業(yè)化還有一定距離?！北R磊磊坦言，比如目前實(shí)驗室的制備方法很難實(shí)現大規模生產(chǎn)，雙梯度結構的設計很難保持電極的一致性。

“目前，團隊正逐步解決這些問(wèn)題。希望有朝一日這種更高效的電池可以為電動(dòng)汽車(chē)提供動(dòng)力?！北R磊磊說(shuō)。

“這種電極結構設計給解決快充提供了新思路，建議在大電池中應用進(jìn)一步評價(jià)其性能，同時(shí)比較關(guān)注電極制備成本?！币晃粚徃迦巳缡钦f(shuō)。

文章來(lái)源：轉載于中國科學(xué)報