高能鋰離子電池的極速充電（XFC）對于電動汽車的未來發(fā)展具有重要意義。為了實現(xiàn)這一目標，以往的研究主要集中在改善鋰離子在電極和電解質中的質量傳輸，然而，電荷跨電極-電解質界面轉移的局限性仍未得到充分的探索。
近日，清華大學張強教授和閆崇研究員等人闡明了電荷轉移動力學如何決定鋰離子電池的快速充電。在XFC過程中，鋰離子在正極-電解質界面上的轉移是受限制的。通過解鎖電荷轉移限制，184 Wh kg?1軟包電池顯示出穩(wěn)定的XFC（10分鐘充電到80%）。
本研究使用了1.0-Ah NCA |石墨軟包電池（圖1A），同時使用兩種基準電解質（EC/DMC LiTFSI和EC/DMC LiPF6）進行了漸進倍率試驗（PRT）來表征這些電池的快速可充電性。EC/DMC LiTFSI的離子電導率（8.9 mS cm?1）比EC/DMC LiPF6（11.7 mS cm?1）低24%，但兩種電解質具有相似的Li+遷移數(shù)（圖1B）。因此，EC/DMC LiPF6的Li+電導率（6.0 mS cm?1）高于EC/DMC LiTFSI（4.9 mS cm?1），表明在XFC過程中質量傳輸速度更快。圖1C-F記錄了PRT過程中容量、庫侖效率（CE）和充電曲線的演變。
令人驚訝的是，盡管EC/DMC LiTFSI電解質離子電導率較低，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時迅速下降，而EC/DMC LiPF6電池沒有容量衰減，CE幾乎沒有變化（圖1C和1D）。
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中的質量傳輸來解釋，因此作者轉向鋰離子在電極-電解質界面上的傳輸動力學，即所謂的電荷轉移動力學。作者在圖2中提出了一種機制。在充電過程中，鋰離子從正極脫插層，進入電解質溶劑化鞘，克服EC的能壘，并在剝離溶劑化鞘后插入負極，克服EA的能壘。如果EA和EC在兩個電極上都很高（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過程中表現(xiàn)出低極化，這表明LiTFSI的加入降低了EA和EC?；谏鲜龅脑?，作者得出結論，LiTFSI是導致EC降低的原因。
在EC/DMC LiTFSI的情況下，EC的降低提高了電池的功率能力，但由于電極動力學的不匹配，在XFC過程中導致了嚴重的Li電鍍（圖2B）。由于高EA，正極釋放的大鋰離子通量超過了最大負極插層速率，導致鋰沉積。因此，穩(wěn)定的XFC只能在EA和EC同時降低的理想情況下實現(xiàn)，從而使電池可以快速充電和無鋰電鍍（圖2C）。
基于這些見解，作者設計了一種概念驗證電解質，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)技術相比，在快速充電期間，一個原型245 Wh kg?1高能21700電池的使用壽命延長了5倍（25分鐘充電到80%）。
總之，目前的工作為開發(fā)減少充電時間的下一代電池鋪平了新的道路，以滿足人們越來越需要的交通運輸、便攜式電子產品等儲能應用。
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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