新材料突破鋰離子電池瓶頸 6分鐘充電60%
來源： 中國科學(xué)報(bào)
為縮短電動(dòng)汽車充電時(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)俞書宏院士團(tuán)隊(duì)與姚宏斌、倪勇教授團(tuán)隊(duì)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(fù)極材料，實(shí)現(xiàn)了鋰離子電池在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是一對(duì)矛盾
當(dāng)前，鋰離子電池驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車因其節(jié)能、環(huán)保受到人們青睞。然而，電動(dòng)汽車的充電時(shí)間遠(yuǎn)長于傳統(tǒng)燃油汽車的加油時(shí)間，大大降低了使用體驗(yàn)感。
“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(bào)》解釋。
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，而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)“此起彼伏”的過程。
盧磊磊說，“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，從而具有較長的鋰離子傳輸路徑，限制充放電倍率?！?/p>
因此，為提高石墨負(fù)極的倍率性能，傳統(tǒng)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。
有沒有一種解決方案，能夠?qū)崿F(xiàn)高能量密度與快充性能“魚與熊掌”的兼得？俞書宏團(tuán)隊(duì)決定從設(shè)計(jì)電極結(jié)構(gòu)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?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。
盧磊磊介紹，傳統(tǒng)的二維模型通常簡化顆粒為均質(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(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大小的順序重新“排隊(duì)”，同時(shí)調(diào)整電極孔隙率大小分布。具體表現(xiàn)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(jié)構(gòu)稱之為雙梯度電極?！北R磊磊說，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，由于漿料黏度很高，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)了一種低粘度無聚合物粘結(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，利用不同尺寸顆粒石墨在漿料中沉降速度差異性，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(yuǎn)？
那完成100%充電需要多長時(shí)間？
“其實(shí)，這是一個(gè)誤區(qū)。通常評(píng)價(jià)電池快充性能都是考量充電到60%或者80%容量時(shí)間?！北R磊磊說，比如電動(dòng)汽車制造商通常建議將車輛充電至80%，以保持電池壽命。
談到這項(xiàng)研究的最大亮點(diǎn)，盧磊磊認(rèn)為，“就是完成了一個(gè)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(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。
“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?！北R磊磊說。
“這種電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)給解決快充提供了新思路，建議在大電池中應(yīng)用進(jìn)一步評(píng)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。
“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(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。
“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?！北R磊磊說。
“這種電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)給解決快充提供了新思路，建議在大電池中應(yīng)用進(jìn)一步評(píng)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。