為縮短電動汽車充電時間，科學家一直在積極尋找新方案。
近日，中國科學技術大學俞書宏院士團隊與姚宏斌、倪勇教授團隊合作，以解決鋰離子電池高能量密度與快充性能之間的矛盾為目標，提出并制備出一種新型雙梯度石墨負極材料，實現鋰離子電池在6分鐘內充電60%。相關成果近日發表于《科學進展》。
高能量密度與快充性能難以兼得
當前，鋰離子電池驅動的電動汽車因節能、環保等優點受到人們的青睞。然而，電動汽車的充電時間遠長于傳統燃油汽車的加油時間，大大降低了用戶體驗的好感度。
“這主要是因為鋰離子電池中石墨負極較差的倍率性能，限制了電動汽車的快速充電能力。”論文共同第一作者、中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家研究中心特任副研究員盧磊磊向《中國科學報》解釋道。
能量密度、功率密度是評價電池系統的兩個重要參數。能量密度決定著單位質量/體積下可以儲存的能量大小，功率密度則決定著電池充放的倍率。理想狀態下，這兩項參數越高，鋰離子電池性能越好。然而，高能量密度與快充性能是一對矛盾，是一個“此消彼長”的過程。
“高能量密度通常意味著電池單體活性物質載量比較高，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。”盧磊磊說。為提高石墨負極的倍率性能，傳統策略通常是將石墨電極做到多孔或變薄。“但是，這些方法往往會‘犧牲’電池的能量密度。”
有沒有一種使高能量密度與快充性能“魚與熊掌兼得”的解決方案？俞書宏團隊決定從電極結構設計入手。
給石墨顆粒“排隊”加快充電速度
研究團隊首先構建了一種新型粒子級理論模型，用于同時優化電極結構中粒度分布和電極孔隙率分布兩個參數，提高石墨負極的快充性能。
傳統的二維模型通常將顆粒簡化為均質球形并使孔隙均勻分布。事實上，石墨顆粒大小不一、形狀不同，通常以相當隨機的順序排列。同時孔的形狀和大小也非均勻分布。
而新型粒子級理論模型是基于真實的石墨顆粒構建出的三維模型，與現實的電極結構很接近。
在粒子級理論模型中，研究人員按照石墨顆粒的大小順序使其重新“排隊”，同時調整電極孔隙率大小分布。越接近電池頂部，石墨顆粒越小，孔隙率越高；越接近底部，石墨顆粒越大，孔隙率越低。
研究人員將這種結構稱為雙梯度電極。模擬計算結果表明，在大電流密度充電條件下，這種新結構相對于傳統的隨機均質電極以及單梯度電極，展現出了優異的快充性能。
理想的結構模型已找到，接下來就是如何在電極中實現。
傳統的電極制備方法中，漿料黏度很高，制備的石墨漿料穩定，不易發生沉降，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的。”
如何構筑一種“異質”結構？研究團隊開發了一種低黏度無聚合物黏結劑漿料自組裝技術，混合銅包覆的石墨負極顆粒以及銅納米線于乙醇溶液中制成漿料，利用不同尺寸石墨顆粒在漿料中沉降速度的差異性，成功構建出模擬計算優化的雙梯度結構，得到電極。
研究人員發現，基于這種新型雙梯度石墨負極材料制備出的鋰離子電池在6分鐘內從零充電到60%，在12分鐘內從零充電到80%，同時保持高能量密度。
“通常評價電池快充性能都是考量充電到60%或者80%容量的時間。”盧磊磊說，電動汽車制造商通常建議將車輛充電至80%，以保持電池壽命。
6分鐘快充技術離產業化有多遠？
談到這項研究的最大亮點，盧磊磊表示，該研究“完成了假設、理論模型建立到實驗再驗證的過程，為克服鋰離子電池高能量密度和快充性能之間的矛盾提供了新思路”。
但盧磊磊坦言，目前實驗室的制備方法很難實現大規模生產，雙梯度結構的設計很難保持電極的一致性。“距離產業化還有一定距離。”
“目前，團隊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汽車提供動力。”盧磊磊說。
“這種電極結構設計為解決快充難題提供了新思路，建議在大電池中應用以進一步評價其性能。”一位審稿人如是說。
來源：中國科學報
■本報見習記者 王敏
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