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高能鋰離子電池的極速充電（XFC）對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)的未來(lái)發(fā)展具有重要意義。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，以往的研究主要集中在改善鋰離子在電極和電解質(zhì)中的質(zhì)量傳輸，然而，電荷跨電極-電解質(zhì)界面轉(zhuǎn)移的局限性仍未得到充分的探索。

近日，清華大學(xué)張強(qiáng)教授和閆崇研究員等人闡明了電荷轉(zhuǎn)移動(dòng)力學(xué)如何決定鋰離子電池的快速充電。在XFC過(guò)程中，鋰離子在正極-電解質(zhì)界面上的轉(zhuǎn)移是受限制的。通過(guò)解鎖電荷轉(zhuǎn)移限制，184 Wh kg^?1軟包電池顯示出穩(wěn)定的XFC（10分鐘充電到80%）。

圖文解讀

圖1. 充電性能研究

本研究使用了1.0-Ah NCA |石墨軟包電池（圖1A），同時(shí)使用兩種基準(zhǔn)電解質(zhì)（EC/DMC LiTFSI和EC/DMC LiPF₆）進(jìn)行了漸進(jìn)倍率試驗(yàn)（PRT）來(lái)表征這些電池的快速可充電性。EC/DMC LiTFSI的離子電導(dǎo)率（8.9 mS cm^?1）比EC/DMC LiPF₆（11.7 mS cm^?1）低24%，但兩種電解質(zhì)具有相似的Li⁺遷移數(shù)（圖1B）。因此，EC/DMC LiPF₆的Li⁺電導(dǎo)率（6.0 mS cm^?1）高于EC/DMC LiTFSI（4.9 mS cm^?1），表明在XFC過(guò)程中質(zhì)量傳輸速度更快。圖1C-F記錄了PRT過(guò)程中容量、庫(kù)侖效率（CE）和充電曲線的演變。

令人驚訝的是，盡管EC/DMC LiTFSI電解質(zhì)離子電導(dǎo)率較低，但其電池具有特殊的功率性能。它在直流（CC）中具有更高的充電能力，并顯著降低了電池的極化（圖1d和1F）。在4.0 C下充電從0到80% SOC，EC/DMC LiPF₆為24.0分鐘，而EC/DMC LiTFSI僅為12.6分鐘。值得注意的是，EC/DMC LiTFSI電池的可逆容量和CE在4.0 C時(shí)迅速下降，而EC/DMC LiPF₆電池沒(méi)有容量衰減，CE幾乎沒(méi)有變化（圖1C和1D）。

圖2. 機(jī)理解析

由于上述電池快速充電能力的顯著差異不能用電極或電解質(zhì)中的質(zhì)量傳輸來(lái)解釋，因此作者轉(zhuǎn)向鋰離子在電極-電解質(zhì)界面上的傳輸動(dòng)力學(xué)，即所謂的電荷轉(zhuǎn)移動(dòng)力學(xué)。作者在圖2中提出了一種機(jī)制。在充電過(guò)程中，鋰離子從正極脫插層，進(jìn)入電解質(zhì)溶劑化鞘，克服E_C的能壘，并在剝離溶劑化鞘后插入負(fù)極，克服E_A的能壘。如果E_A和E_C在兩個(gè)電極上都很高（圖2A），那么由于電池的大極化，電池就不能以較高的倍率充電。這是EC/DMC LiPF₆的情況。在另一種情況下，EC/DMC LiTFSI在XFC過(guò)程中表現(xiàn)出低極化，這表明LiTFSI的加入降低了E_A和E_C?；谏鲜龅脑?，作者得出結(jié)論，LiTFSI是導(dǎo)致E_C降低的原因。

在EC/DMC LiTFSI的情況下，E_C的降低提高了電池的功率能力，但由于電極動(dòng)力學(xué)的不匹配，在XFC過(guò)程中導(dǎo)致了嚴(yán)重的Li電鍍（圖2B）。由于高E_A，正極釋放的大鋰離子通量超過(guò)了最大負(fù)極插層速率，導(dǎo)致鋰沉積。因此，穩(wěn)定的XFC只能在E_A和E_C同時(shí)降低的理想情況下實(shí)現(xiàn)，從而使電池可以快速充電和無(wú)鋰電鍍（圖2C）。

圖3. 量化電荷轉(zhuǎn)移動(dòng)力學(xué)及其電化學(xué)效應(yīng)

圖4. 設(shè)計(jì)極速充電鋰離子電池

基于這些見(jiàn)解，作者設(shè)計(jì)了一種概念驗(yàn)證電解質(zhì)，使184 Wh kg^?1軟包電池10分鐘充電到80%，在500次循環(huán)后，能量密度僅損失5.2%。此外，與商業(yè)技術(shù)相比，在快速充電期間，一個(gè)原型245 Wh kg^?1高能21700電池的使用壽命延長(zhǎng)了5倍（25分鐘充電到80%）。

總之，目前的工作為開(kāi)發(fā)減少充電時(shí)間的下一代電池鋪平了新的道路，以滿足人們?cè)絹?lái)越需要的交通運(yùn)輸、便攜式電子產(chǎn)品等儲(chǔ)能應(yīng)用。

文獻(xiàn)鏈接

Yao, Y., Chen, X., Yao, N., Gao, J., Xu, G., Ding, J., Song, C., Cai, W., Yan, C. and Zhang, Q. (2022), Unlocking Charge Transfer Limitations for Extreme Fast Charging of Li-Ion Batteries. Angew. Chem. Int. Ed.. Accepted Author Manuscript. https://doi.org/10.1002/anie.202214828

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