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新材料突破电动车的快充,实现锂离子电池在6分钟内充电60%

2022-05-24 10:18
陈述根本
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文/陈根

近年来,随着对可再生能源利用的巨大需求,和对环境污染问题的日益关注,以锂电池为代表的二次电池——这种能够将其他形式能量转换成的电能,并预先以化学能的形式存储下来的储能技术,持续革新着能源系统。

现阶段,锂离子电池已经成为电动汽车最重要的动力源,其发展经历了三代技术的发展,其中,钴酸锂正极为第一代,锰酸锂和磷酸铁锂为第二代,三元技术则为第三代。不过,锂电池的续航能力、电池循环使用寿命有限等问题,也常常被人们所诟病。

其中,快充对于电动汽车似乎是必须的,但同时,大电流迫使锂离子在电池内部快速迁移,容易出现锂析出,长期下去电池容量会快速衰减,最坏的情况则是锂析出后堆积形成锂枝晶,刺穿隔膜,导致电池发生内短路,最终发生热失控,进而起火。

为缩短电动汽车充电时间,科学家们一直在积极寻找新方案。近日,中国科学技术大学俞书宏院士团队与姚宏斌、倪勇教授团队合作,致力于解决锂离子电池高能量密度与快充性能之间的矛盾,提出并制备出一种新型双梯度石墨负极材料,实现了锂离子电池在6分钟内充电 60%。

陈根:新材料突破电动车的快充,六分钟充电60%

具体来看,研究团队首先构建了一种新型粒子级理论模型,用于同时优化电极结构中粒度分布和电极孔隙率分布两个参数,提高石墨负极的快充性能。

研究人员表示,传统的二维模型通常简化颗粒为均质球形以及孔隙均匀分布。事实上,石墨颗粒多是大小不一、形状不同,通常以相当随机的顺序排列。同时孔的形状和大小也非均匀分布。而新型粒子级理论模型是基于真实的石墨颗粒构建出的三维模型,与现实的电极结构很接近。

在粒子级理论模型中,研究人员按照石墨颗粒大小的顺序重新“排队”,同时调整电极孔隙率大小分布。模拟计算结果表明,在大电流密度充电条件下,这种新结构相对于传统的随机均质电极以及单梯度电极,展现出了优异的快充性能。

为了在电极中实现,研究团队开发了一种低粘度无聚合物粘结剂浆料自组装技术,混合铜包覆的石墨负极颗粒以及铜纳米线于乙醇溶液中制成浆料,利用不同尺寸颗粒石墨在浆料中沉降速度差异性,成功构建出模拟计算优化的双梯度结构,得到电极。

研究人员发现,基于这种新型双梯度石墨负极材料制备出的锂离子电池分别在5.6分钟和11.4分钟从零充电到60%和80%,同时保持高能量密度。

这种电极结构设计给解决快充提供了新思路,在未来的能源系统中发挥核心作用的,或许正是如今这些具有意义和分量的突破性的电池技术。

       原文标题 : 陈根:新材料突破电动车的快充,六分钟充电60%

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