鋰離子電池驅(qū)動的電動汽車是一種滿足綠色出行需求的零排放交通工具。然而，目前電動汽車的充電時間遠(yuǎn)長于傳統(tǒng)燃油汽車的加油時間，這使得電動汽車的使用體驗感降低。電動汽車的快速充電能力受限于鋰離子電池中石墨負(fù)極高的濃差極化效應(yīng)和低的平衡電位，其在較高的充電倍率下，容易誘發(fā)金屬鋰沉積和枝晶生長，導(dǎo)致電池性能衰減并出現(xiàn)安全問題。多孔石墨顆粒、石墨負(fù)極界面改性以及定向排列石墨顆粒等策略一直用以改善石墨負(fù)極的快充性能。然而，這些石墨負(fù)極的設(shè)計策略往往以犧牲所制備電池的能量密度為代價來提升快充性能。因此，如何克服鋰離子電池的高能量密度與快速充電性能之間的矛盾仍然是快充鋰離子電池領(lǐng)域一個挑戰(zhàn)性的問題。

 

記者5月5日從中國科大獲悉，近日，中國科大俞書宏院士團(tuán)隊與姚宏斌、倪勇教授團(tuán)隊合作提出了在不犧牲鋰離子電池能量密度的前提下，在石墨負(fù)極內(nèi)部引入顆粒尺寸以及孔隙率的梯度異質(zhì)分布結(jié)構(gòu)設(shè)計，實現(xiàn)了石墨負(fù)極快充性能提升。研究團(tuán)隊開發(fā)了一種無聚合物-粘結(jié)劑的漿液制備石墨負(fù)極的路線，可以普適地在石墨負(fù)極中構(gòu)建一種新型粒徑-孔隙度雙梯度結(jié)構(gòu)，大幅度提升了鋰離子電池的快充性能。以雙梯度石墨負(fù)極構(gòu)建的鋰離子全電池在6C的高充電速率下展現(xiàn)出高的能量密度和循環(huán)穩(wěn)定性。相關(guān)成果以“Extremely fast charging lithium ion battery enabled by dual gradient structure design”為題發(fā)表在國際期刊《科學(xué)進(jìn)展》上（Science Advances2022,8, eabm6624），被英國NewScientist選為研究亮點報道。特任副研盧磊磊與博士后陸宇陽是論文的共同第一作者。

 

針對目前商業(yè)化石墨負(fù)極顆粒的非均勻、非各向同性、孔隙大小和形狀不同特性，研究團(tuán)隊首先采用顆粒級尺度的理論模型，采用迭代設(shè)計方法仿真對石墨負(fù)極電極結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。同時對顆粒大小和電極孔隙度的雙重分布進(jìn)行了優(yōu)化，模擬計算結(jié)果表明，在3.5 mA cm-2大電流密度充電條件下，雙梯度分布電極相對于傳統(tǒng)的隨機電極以及單梯度電極，電極內(nèi)部電解液中Li+離子濃度分布更為平滑，從而表現(xiàn)出更小的濃差極化以及更高的活性材料利用率，展現(xiàn)出優(yōu)異的快充性能（圖1）。研究人員進(jìn)一步開發(fā)了一種低粘度無聚合物粘結(jié)劑漿料自組裝技術(shù)。基于實驗室先前成熟的銅納米線規(guī)模制備工藝，制備銅納米線和銅顆粒包覆石墨低粘度乙醇漿料，利用不同尺寸顆粒石墨在漿料中沉降速度差異性，在石墨負(fù)極中成功構(gòu)建出模擬計算優(yōu)化的雙梯度結(jié)構(gòu)。電極中銅納米線的焊接作用實現(xiàn)了石墨電極結(jié)構(gòu)的完整性。基于該石墨負(fù)極所制備的鋰離子全電池展現(xiàn)出與實驗?zāi)Ｐ拖嗤膬?yōu)異快充性能（圖2）。

 

相對于傳統(tǒng)實現(xiàn)鋰離子電池快充的方法，研究團(tuán)隊提出的雙梯度電極結(jié)構(gòu)設(shè)計為克服鋰離子電池的高能量密度和快充性能之間的矛盾提供了新的思路。

 

該工作受到科技部國家重點研發(fā)計劃“變革性技術(shù)關(guān)鍵科學(xué)問題”重點專項項目、國家自然科學(xué)基金委創(chuàng)新研究群體、國家自然科學(xué)基金重點項目、合肥大科學(xué)中心卓越用戶基金等資助。（記者 汪喬 管雪）