最近一段時間，維科網(wǎng)鋰電已經(jīng)相繼推出3篇關(guān)于鋰電快充的文章，感興趣的讀者可以在公眾號中搜索并再次閱讀，分別是《鋰離子電池快充問題，這篇文章總結(jié)全了！》、《快充技術(shù)也許是實(shí)現(xiàn)車輛全面電動化的關(guān)鍵》、《固態(tài)電池快充問題到底如何解決？》。今天，我們再次通過專業(yè)性的論文討論快充問題，不過這次的主題是鋰離子電池快充負(fù)極材料。

研究背景

隨著國家雙碳政策的推出以及鋰電技術(shù)的快速發(fā)展，以鋰離子電池（LIB）為動力的電動汽車（EV）和插電式混合動力汽車（PHEV）等備受關(guān)注，并呈現(xiàn)爆發(fā)式增長的趨勢。下圖是2012-2021年全球電動汽車銷量及發(fā)展趨勢

圖片來源：Advanced Functional Materials

盡管在續(xù)航里程和降低成本方面取得了快速發(fā)展，但目前電動汽車的消費(fèi)者接受度和市場滲透率還不是很高。其中一個主要原因是電動汽車充電時間較長。此外，由于電池能量密度短期內(nèi)難以大幅提升，發(fā)展具有快充能力的鋰離子電池成為進(jìn)一步推動電動汽車市場化的有效手段。

常用的石墨具有較差的電化學(xué)動力學(xué)和較低的工作電位（0.1 V vs Li/Li+），在高充電倍率（＞1C）下會出現(xiàn)嚴(yán)重問題，例如：機(jī)械裂紋、與電解質(zhì)的副反應(yīng)、陽極極化導(dǎo)致析鋰和發(fā)熱現(xiàn)象，從而導(dǎo)致性能下降和安全問題。因此，設(shè)計(jì)快充鋰離子電池的關(guān)鍵挑戰(zhàn)之一是構(gòu)建高倍率和優(yōu)異安全性的負(fù)極材料。

快充鋰離子電池的主要挑戰(zhàn)（圖片來源：Advanced Functional Materials）

工作簡介

本篇綜述，作者從三個方面總結(jié)了鋰離子電池快充負(fù)極材料的現(xiàn)狀。首先介紹了LIBs快充負(fù)極的關(guān)鍵影響因素，為鋰離子電池快充設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)。其次，詳細(xì)回顧了快充負(fù)極材料的研究現(xiàn)狀和最新進(jìn)展。具體來說，總結(jié)了各種快充負(fù)極材料的內(nèi)在結(jié)構(gòu)、儲鋰機(jī)制以及進(jìn)一步提高倍率性能的策略。最后，討論了快充負(fù)極材料的巨大挑戰(zhàn)和未來發(fā)展方向。

圖片來源：Advanced Functional Materials

內(nèi)容詳情

快充負(fù)極材料的影響因素

鋰離子電池在充電過程中的7個過程：1. Li+在層狀氧化物正極中的擴(kuò)散；2. Li+通過正極/電解質(zhì)界面（CEI）擴(kuò)散；3.  Li+在CEI/電解質(zhì)界面被溶劑化；4. 溶劑化Li+在電解質(zhì)中擴(kuò)散，； 5. Li+在電解質(zhì)/AEI（負(fù)極/電解質(zhì)界面）界面處去溶劑；6. Li+穿過AEI進(jìn)入石墨內(nèi)部；7. Li+在石墨中的擴(kuò)散，伴隨著石墨晶格重排。

快充的限制因素一般分為兩個方面：一種是質(zhì)量傳遞，包括Li+在電解質(zhì)和電極材料中的傳遞；另一種是電荷轉(zhuǎn)移，涉及Li+的溶劑化/去溶劑化以及Li+的CEI 和 AEI 擴(kuò)散。

負(fù)極側(cè)，確保鋰離子在負(fù)極中的快速擴(kuò)散和降低負(fù)極/電解質(zhì)界面動力學(xué)勢壘是實(shí)現(xiàn)快充的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。如果Li+傳輸動力學(xué)不能滿足快速充電的要求，負(fù)極上的極化會導(dǎo)致析鋰，從而降低循環(huán)壽命，甚至出現(xiàn)安全問題。

Li+和電子在固體電極和界面中的遷移速率很大程度上取決于電極和界面的電子和離子電導(dǎo)率。因此，提高負(fù)極側(cè)的電子電導(dǎo)率和離子電導(dǎo)率以及促進(jìn)鋰離子在負(fù)極/電解質(zhì)的SEI層中的傳輸是尤為關(guān)鍵。

根據(jù)文獻(xiàn)總結(jié)的各種快充負(fù)極材料的電導(dǎo)率和Li+擴(kuò)散系數(shù)（圖片來源：Advanced Functional Materials）

快充負(fù)極材料

根據(jù)儲能機(jī)理，快充負(fù)極材料可分為插層型、轉(zhuǎn)化型和合金型三種。插層材料主要包括碳材料（如石墨）、插層過渡金屬氧化物（如Ti基氧化物、Nb基氧化物等）。轉(zhuǎn)化型材料在充放電過程中會發(fā)生可逆的氧化還原反應(yīng)，涉及過渡金屬（Fe、Co、Ni、Mn、Mo、V、Cu）氧化物和部分過渡金屬（Mo、Fe、W、V）二硫化物。合金類材料主要包含位于IVA和VA族的金屬（Sn、Sb、Bi 等）和半金屬（Si、Ge 和 P），它們可以與鋰離子合金化以提供比傳統(tǒng)碳材料更高的比容量。

此外，一些快充的負(fù)極材料具有不止一種電荷存儲機(jī)制。例如，軟/硬碳在充放電過程中經(jīng)歷Li+嵌入、微孔填充和表面吸附過程，而一些過渡金屬二硫化物（如SnS2）在充放電過程中經(jīng)歷兩步轉(zhuǎn)化和合金化過程。

元素周期表中構(gòu)成快充負(fù)極材料的元素（圖片來源：Advanced Functional Materials）

快充負(fù)極材料的相關(guān)結(jié)構(gòu)（圖片來源：Advanced Functional Materials）

論文的該部分是按照上圖的分類對已報道的文獻(xiàn)進(jìn)行了綜述，在此不再具體呈現(xiàn)，感興趣的讀者可點(diǎn)擊文末鏈接下載閱讀原文。

總結(jié)與展望

本文作者總結(jié)了鋰離子電池快充負(fù)極的現(xiàn)狀，重點(diǎn)介紹了促進(jìn)各種負(fù)極材料鋰離子擴(kuò)散動力學(xué)的策略，如結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、形貌調(diào)控、表/界面改性以及形成多相體系。下圖對各種快充負(fù)極材料進(jìn)行了性能對比，涉及快充能力、循環(huán)壽命、比容量、安全性、成本以及工作電壓。

圖片來源：Advanced Functional Materials

在推動快充負(fù)極材料的開發(fā)方面已經(jīng)取得了許多實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。然而，仍有許多問題和障礙需要解決，如：開發(fā)具有快速動力學(xué)的新型負(fù)極材料、材料合成方法、SEI的改善、快充負(fù)極機(jī)理的深入探究、安全性、電極結(jié)構(gòu)和電池裝置的改進(jìn)。

附：

參考文獻(xiàn)

Li S, Wang K, Zhang G, et al. Fast Charging Anode Materials for Lithium‐Ion Batteries: Current Status and Perspectives[J]. Advanced Functional Materials, 2022: 2200796.

文獻(xiàn)鏈接

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/adfm.202200796

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