具有富鎳層狀氧化物正極和石墨負(fù)極的鋰離子電池已達(dá)到 250-300 Wh kg-1的比能量，可以支持裝配90 kWh電池組的電動(dòng)汽車（EV）達(dá)到300英里的續(xù)航范圍。不幸的是，由于原材料供應(yīng)有限且成本較高，使用如此龐大的電池來緩解主流EV的里程焦慮是無效的。10分鐘快充技術(shù)可以縮小EV電池的尺寸，且不會(huì)引起里程焦慮。然而，高能鋰離子電池（超過250 Wh kg-1或高于4 mAh cm-2）的快速充電仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。
為了應(yīng)對(duì)上述挑戰(zhàn)，來自賓夕法尼亞州立大學(xué)的Chao-Yang Wang等人將基于非對(duì)稱熱調(diào)制的電極材料與熱穩(wěn)定的雙鹽電解質(zhì)相結(jié)合，使265 Wh kg-1的高能鋰離子電池實(shí)現(xiàn)12（或11）分鐘內(nèi)達(dá)到75%（或70%）的充電狀態(tài)，循環(huán)次數(shù)超過900（或2,000）次,這相當(dāng)于50萬英里范圍內(nèi)的每次充電都是快充。此外，本研究還構(gòu)建了這種電池組的數(shù)字模型，以評(píng)估其冷卻和安全性，并證明熱調(diào)制4C充電技術(shù)只需要空氣對(duì)流。相關(guān)論文以題為“Fast charging of energy-dense lithium-ion batteries”發(fā)表在Nature上。
電池的快充技術(shù)必須同時(shí)通過三個(gè)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià):(1)充電時(shí)間、(2)比能量和(3)快速充電下的循環(huán)次數(shù)。電池的理想目標(biāo)是在充電5分鐘后可以獲得240 Wh kg−1的能量，其中每次充電都是快速充電，且循環(huán)壽命超過2000次。其中，全固態(tài)鋰金屬電池(LMB)具有出色的能量密度和1000次的使用壽命，但它們的充電時(shí)間較慢；硅負(fù)極能較大提升電池的能量密度，但在快充過程中硅會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的體積膨脹，導(dǎo)致硅負(fù)極電池的使用壽命只有20-30個(gè)月。
相比之下，本研究選擇面積容量為3.4 mAh cm–2的LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2(NMC811)作為正極，電池的比能量達(dá)到265 Wh kg-1。此外，在快速充電前，采用熱調(diào)制步驟將電池從室溫加熱到65°C以降低析鋰風(fēng)險(xiǎn)。進(jìn)一步通過將雙鹽電解質(zhì)和更大孔隙率的負(fù)極相結(jié)合以改善離子傳輸，使電池在4C充電至70%SOC(約50萬英里)時(shí)，可以持續(xù)約2000個(gè)循環(huán)。在所有報(bào)告的電池體系中，這是充電時(shí)間、獲得的比能量以及循環(huán)壽命的最高組合。最后，作者還評(píng)估了熱調(diào)制策略在電池組水平上對(duì)電池冷卻和安全性的影響，并發(fā)現(xiàn)熱調(diào)制4C充電只需要電池表面的底部和頂部進(jìn)行空氣對(duì)流，這能夠滿足本質(zhì)安全和可靠的電池組設(shè)計(jì)。
圖1. 快充電池的優(yōu)勢(shì)圖。綜述了有關(guān)充電比能量隨充電時(shí)間變化的文獻(xiàn)研究，在給定的充電條件下，以氣泡大小表示循環(huán)壽命。a，循環(huán)數(shù)大于800的電池。b，循環(huán)數(shù)小于800的電池。
圖2. 高能鋰離子電池的ATM循環(huán)。a，在60°C恒定1C/1C循環(huán)來表征SEI降解。b， 4.2 mAh cm−2電池的ATM快充。c，3.4 mAh cm−2電池的ATM快充。b和c中的實(shí)線表示實(shí)際的電池容量損失，而虛線表示SEI造成的容量損失。
圖3. 離子傳遞增強(qiáng)下的高能鋰離子電池的快速充電。a，ATM循環(huán)下的電壓和溫度分布。b，快速充電下的容量保持率。c，快速充電后獲得的比能量。
圖4. 150Ah棱鏡電池12S1P包的電化學(xué)-熱耦合模擬。a，電池結(jié)構(gòu)、組件模型和吸氣空氣對(duì)流下的熱條件。b，在4C充電-C/3放電循環(huán)過程中，150 Ah棱柱電池在三個(gè)代表性時(shí)間的瞬間三維溫差輪廓。c，棱柱電池內(nèi)最高和最低溫度的演化。d，循環(huán)過程中電池電壓的變化。
總的來說，本研究為電池到封裝的開發(fā)提供了一種可靠且本質(zhì)安全的途徑。其中，僅在快充過程中產(chǎn)生高活性電化學(xué)界面的快速熱調(diào)制方法，對(duì)于實(shí)現(xiàn)下一代材料(包括硅和金屬鋰等負(fù)極)的穩(wěn)定和快速充電具有重要的潛力。
