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。
01
“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。
02
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。
03
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。
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▲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。
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▲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
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