新工藝讓鋰電池快充與壽命雙贏 | 科技前線

鋰電池性能關(guān)系到應(yīng)用時(shí)能否獲得更高續(xù)航和更快充電。此前研究多聚焦電解液配方革新或電極表面快離子導(dǎo)體層構(gòu)建，卻鮮有關(guān)注電池制造和使用工藝潛力的挖掘。

日前，中國(guó)科學(xué)院物理研究所團(tuán)隊(duì)，通過調(diào)控電池出廠前的化成速度這一關(guān)鍵參數(shù)，在不改變現(xiàn)有鋰電池化學(xué)體系的前提下，實(shí)現(xiàn)了鋰電池的快充性能與循環(huán)壽命的雙重提升。

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“厚薄”之爭(zhēng)

當(dāng)鋰電池組裝完成進(jìn)行第一次充電時(shí)，負(fù)極與電解液發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，在負(fù)極表面形成固體電解質(zhì)界面（SEI）膜。SEI膜既能阻止電解液在負(fù)極持續(xù)還原，又能為鋰離子提供到達(dá)負(fù)極的通道。

長(zhǎng)期以來，行業(yè)普遍信奉“慢工出細(xì)活”準(zhǔn)則：通過極低電流緩慢充電，形成一層較厚的SEI層，來強(qiáng)化防護(hù)效果。

但是，厚重界面膜卻陷入了困境——鋰離子傳輸阻力大，快充性能下降；在快充的大電流沖擊下，SEI膜易發(fā)生破裂與反復(fù)重構(gòu)，引發(fā)容量持續(xù)衰減，使得“快充”與“長(zhǎng)壽命”成為矛盾體。

02

快充密鑰

最新的研究打破了此前“慢養(yǎng)膜”的傳統(tǒng)認(rèn)知，證明大電流快速形成的SEI膜性能優(yōu)于緩慢形成的SEI膜。

研究通過冷凍電子顯微鏡技術(shù)和其他表征方法，揭示了電流密度對(duì)電解液分解路徑精準(zhǔn)調(diào)控的機(jī)制。

研究發(fā)現(xiàn)：在小電流密度下，電解液優(yōu)先發(fā)生單電子還原反應(yīng)，形成富含有機(jī)物的SEI界面相；在大電流密度下，電解液優(yōu)先發(fā)生雙電子還原，形成富含無機(jī)物的SEI界面相。

隨著電流密度升高，生成的無機(jī)物數(shù)量增多、粒徑減小。同時(shí)，這些細(xì)小的無機(jī)顆粒在SEI膜內(nèi)形成緊密堆疊的均勻結(jié)構(gòu)，為鋰離子構(gòu)建了豐富的晶界傳輸通道，提高了鋰離子在界面上的傳輸速度，提升了電池的倍率性能。同時(shí)，這種致密結(jié)構(gòu)可抑制電解液持續(xù)分解，保障后續(xù)快速充電過程中SEI膜的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。

03

工藝優(yōu)勢(shì)

基于對(duì)SEI膜形成機(jī)制的認(rèn)識(shí)，團(tuán)隊(duì)提高了石墨電極的快充性能以及廣泛應(yīng)用的“磷酸鐵鋰||石墨電池”長(zhǎng)期循環(huán)穩(wěn)定性。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示：快速化成的石墨對(duì)鋰半電池在大電流5C（對(duì)應(yīng)12分鐘充滿電）下的容量提高了46%；在軟包電池中，快速化成的“磷酸鐵鋰||石墨電池”，經(jīng)過1C快充（對(duì)應(yīng)1小時(shí)充滿電）2000次循環(huán)后，容量保持率為82%，高于傳統(tǒng)慢速化成電池的容量保持率。

▲經(jīng)歷不同化成速度電池的快充性能（a）和長(zhǎng)期循環(huán)性能（b）

數(shù)據(jù)證明，通過優(yōu)化化成工藝參數(shù)，可在不改變電池化學(xué)體系的前提下，提升電池的快充性能和循環(huán)壽命。這種大電流形成界面膜的技術(shù)，可縮短化成周期，提升生產(chǎn)效率，減少生產(chǎn)成本。

上述研究為提升或激發(fā)現(xiàn)有鋰電池性能提供了新策略，解決了快充與電池壽命之間的矛盾。

▲不同化成速度形成的界面膜的示意圖

來源：中國(guó)科學(xué)院物理研究所

責(zé)任編輯：侯茜