具有富鎳層狀氧化物正極和石墨負極的鋰離子電池已達到 250-300 Wh kg-1的比能量，可以支持裝配90 kWh電池組的電動汽車（EV）達到300英里的續(xù)航范圍。不幸的是，由于原材料供應有限且成本較高，使用如此龐大的電池來緩解主流EV的里程焦慮是無效的。10分鐘快充技術可以縮小EV電池的尺寸，且不會引起里程焦慮。然而，高能鋰離子電池（超過250 Wh kg-1或高于4 mAh cm-2）的快速充電仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)。
為了應對上述挑戰(zhàn)，來自賓夕法尼亞州立大學的Chao-Yang Wang等人將基于非對稱熱調制的電極材料與熱穩(wěn)定的雙鹽電解質相結合，使265 Wh kg-1的高能鋰離子電池實現(xiàn)12（或11）分鐘內達到75%（或70%）的充電狀態(tài)，循環(huán)次數(shù)超過900（或2,000）次,這相當于50萬英里范圍內的每次充電都是快充。此外，本研究還構建了這種電池組的數(shù)字模型，以評估其冷卻和安全性，并證明熱調制4C充電技術只需要空氣對流。相關論文以題為“Fast charging of energy-dense lithium-ion batteries”發(fā)表在Nature上。
電池的快充技術必須同時通過三個指標進行評價:(1)充電時間、(2)比能量和(3)快速充電下的循環(huán)次數(shù)。電池的理想目標是在充電5分鐘后可以獲得240 Wh kg−1的能量，其中每次充電都是快速充電，且循環(huán)壽命超過2000次。其中，全固態(tài)鋰金屬電池(LMB)具有出色的能量密度和1000次的使用壽命，但它們的充電時間較慢；硅負極能較大提升電池的能量密度，但在快充過程中硅會發(fā)生嚴重的體積膨脹，導致硅負極電池的使用壽命只有20-30個月。
相比之下，本研究選擇面積容量為3.4 mAh cm–2的LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2(NMC811)作為正極，電池的比能量達到265 Wh kg-1。此外，在快速充電前，采用熱調制步驟將電池從室溫加熱到65°C以降低析鋰風險。進一步通過將雙鹽電解質和更大孔隙率的負極相結合以改善離子傳輸，使電池在4C充電至70%SOC(約50萬英里)時，可以持續(xù)約2000個循環(huán)。在所有報告的電池體系中，這是充電時間、獲得的比能量以及循環(huán)壽命的最高組合。最后，作者還評估了熱調制策略在電池組水平上對電池冷卻和安全性的影響，并發(fā)現(xiàn)熱調制4C充電只需要電池表面的底部和頂部進行空氣對流，這能夠滿足本質安全和可靠的電池組設計。
圖1. 快充電池的優(yōu)勢圖。綜述了有關充電比能量隨充電時間變化的文獻研究，在給定的充電條件下，以氣泡大小表示循環(huán)壽命。a，循環(huán)數(shù)大于800的電池。b，循環(huán)數(shù)小于800的電池。
圖2. 高能鋰離子電池的ATM循環(huán)。a，在60°C恒定1C/1C循環(huán)來表征SEI降解。b， 4.2 mAh cm−2電池的ATM快充。c，3.4 mAh cm−2電池的ATM快充。b和c中的實線表示實際的電池容量損失，而虛線表示SEI造成的容量損失。
圖3. 離子傳遞增強下的高能鋰離子電池的快速充電。a，ATM循環(huán)下的電壓和溫度分布。b，快速充電下的容量保持率。c，快速充電后獲得的比能量。
圖4. 150Ah棱鏡電池12S1P包的電化學-熱耦合模擬。a，電池結構、組件模型和吸氣空氣對流下的熱條件。b，在4C充電-C/3放電循環(huán)過程中，150 Ah棱柱電池在三個代表性時間的瞬間三維溫差輪廓。c，棱柱電池內最高和最低溫度的演化。d，循環(huán)過程中電池電壓的變化。
總的來說，本研究為電池到封裝的開發(fā)提供了一種可靠且本質安全的途徑。其中，僅在快充過程中產生高活性電化學界面的快速熱調制方法，對于實現(xiàn)下一代材料(包括硅和金屬鋰等負極)的穩(wěn)定和快速充電具有重要的潛力。
