新工藝讓鋰電池快充與壽命雙贏 | 科技前線

鋰電池性能關系到應用時能否獲得更高續航和更快充電。此前研究多聚焦電解液配方革新或電極表面快離子導體層構建，卻鮮有關注電池制造和使用工藝潛力的挖掘。

日前，中國科學院物理研究所團隊，通過調控電池出廠前的化成速度這一關鍵參數，在不改變現有鋰電池化學體系的前提下，實現了鋰電池的快充性能與循環壽命的雙重提升。

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“厚薄”之爭

當鋰電池組裝完成進行第一次充電時，負極與電解液發生電化學反應，在負極表面形成固體電解質界面（SEI）膜。SEI膜既能阻止電解液在負極持續還原，又能為鋰離子提供到達負極的通道。

長期以來，行業普遍信奉“慢工出細活”準則：通過極低電流緩慢充電，形成一層較厚的SEI層，來強化防護效果。

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膜易發生破裂與反復重構，引發容量持續衰減，使得“快充”與“長壽命”成為矛盾體。

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快充密鑰

最新的研究打破了此前“慢養膜”的傳統認知，證明大電流快速形成的SEI膜性能優于緩慢形成的SEI膜。

研究通過冷凍電子顯微鏡技術和其他表征方法，揭示了電流密度對電解液分解路徑精準調控的機制。

研究發現：在小電流密度下，電解液優先發生單電子還原反應，形成富含有機物的SEI界面相；在大電流密度下，電解液優先發生雙電子還原，形成富含無機物的SEI界面相。

隨著電流密度升高，生成的無機物數量增多、粒徑減小。同時，這些細小的無機顆粒在SEI膜內形成緊密堆疊的均勻結構，為鋰離子構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，這種致密結構可抑制電解液持續分解，保障后續快速充電過程中SEI膜的動態穩定性。

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工藝優勢

基于對SEI膜形成機制的認識，團隊提高了石墨電極的快充性能以及廣泛應用的“磷酸鐵鋰||石墨電池”長期循環穩定性。

實驗數據顯示：快速化成的石墨對鋰半電池在大電流5C（對應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”，經過1C快充（對應1小時充滿電）2000次循環后，容量保持率為82%，高于傳統慢速化成電池的容量保持率。

▲經歷不同化成速度電池的快充性能（a）和長期循環性能（b）

數據證明，通過優化化成工藝參數，可在不改變電池化學體系的前提下，提升電池的快充性能和循環壽命。這種大電流形成界面膜的技術，可縮短化成周期，提升生產效率，減少生產成本。

上述研究為提升或激發現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：中國科學院物理研究所

責任編輯：侯茜