崔屹Nature Energy: 超级快充电池材料的四大挑战！

 

第一作者：Yayuan Liu

通讯作者：崔屹

通讯单位：斯坦福大学

 

核心内容：

系统总结了超级快充电池材料面临的四大挑战及其带来的机遇，从质量传递、电荷转移、热管理、表征技术四个方面阐述了分析了当前电池材料快速充电所面临的主要问题、解决方案以及未来研究方向。

 

充电5分钟，通话2小时的广告语言犹在耳。然而事实上，实现这个目标困难重重，需要横跨多个层次的基础研究和技术开发，电池技术就是其中最关键的障碍之一。

 

目前而言，由石墨负极、过渡金属氧化物正极和液态电解质组装的高能锂离子电池在电池性能和安全性方面还无法达到15 min的快充目标。这是因为，当电池以高倍率充电时，电池内部的各种极化（欧姆、浓度和电化学）将导致活性材料的有效利用受限，增加了镀锂的倾向，并产生过多的热量。

 

有鉴于此，斯坦福大学崔屹教授团队系统总结了超级快充电池材料面临的四大挑战及其带来的机遇。研究团队从质量传递、电荷转移、热管理、表征技术四个方面阐述了分析了当前电池材料快速充电所面临的主要问题、解决方案以及未来研究方向。

 

 

要点1：电解质质量传递

电解质传输性质在确定电池的充电速度方面起决定性作用。为了增强快充性能，可以从这4个方向着手：1）提高电解质离子导电性；2）提高电解质锂离子传递数量；3）减少电极弯曲变形；4）是电池设计更加轻便。

 

 

要点2：电极电荷转移

当充电速率超过石墨晶体结构中的嵌入速率时，就会在石墨上发生镀Li现象，从而影响快速充电性能。为了增强快充性能，可以从这6个方向着手：1）加速锂离子去溶剂化；2）使用低电阻SEI；3）增加活性位点的密度；4）抑制枝晶生长并在早期及时发现；5）寻找可替换的负极材料；6）质量传递与电荷转移的非关联研究。

 

 

要点3：热管理

锂离子电池的性能和安全性受温度的影响很大。在低温下，电池动力学缓慢；而在高温下，电池加速老化，极端温度条件甚至会引发热失控。因此，启用XFC需要详细了解温度对电池的影响以及开发与天气无关的热管理解决方案。

 

低温条件下，XFC的主要风险在于镀Li。由于电解质中的离子传导和石墨表面的反应都随着温度降低而减慢，目前大多数电动汽车都不支持低温快速充电。高温条件下，副反应和电极降解加速发生，如果热管理系统设计不当，快速充电期间的电池温度可能会达到滥用条件并引发热失控，从而导致灾难性的安全隐患。

 

由于XFC和正常充电/放电模式下的电池发热率极为不同，因此，通过先进的被动或主动控制和机器学习，或许是实现自适应电池热管理系统的关键途径。

 

 

 

要点4：表征技术

先进的表征技术，特别是具有高空间或时间分辨率的技术，可以批判性地将表征结果反馈到材料设计，并揭示XFC期间可能出现的新故障，这将有助于从根本上了解快速充电过程中电池的故障机制，从而为更合理的电池设计提供信息。由于电池内的动态过程跨越多个长度和时间尺度，因此往往需要不同技术的组合。研究团队重点介绍了基于X射线的技术的同步辐射技术和冷冻电镜技术。

 

同步辐射具有良好的穿透深度和高亮度，可以在微尺度（电极和颗粒水平）对工作期间的电池进行无损表征。冷冻电镜非原位高分辨率成像，则为电池材料提供了纳米级和原子级的关键信息。

 

 

小结

电池是一个精密的系统工程，一个参数的改进可能会对其他电池指标产生负面影响，因此锂离子电池技术的逐步变化需要采用整体方案。如何将许多概念验证电池设计转换为商业化产品，尤其值得思考。从长远来看，采用颠覆性电池技术，如新型电池化学和3D电池架构，以最终实现快速充电和广泛采用电动汽车，或许是不二之选。

 

XFC是一个复杂的主题，除了本文中提出的材料挑战和解决方案之外，业界所追寻的系统级关注点和解决方案也非常重要。因此，我们呼吁行业专家分享知识和观点，以弥合科学界和产业界之间的差距，以实现快速充电共同目标。

 

参考文献：

Yayuan Liu, Yangying Zhu, Yi Cui. Challenges andopportunities towards fast-charging battery materials. Nature Energy 2019.

https://www.nature.com/articles/s41560-019-0405-3