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10分钟超级快充的负极应该怎么设计？


随着动力电池技术的不断成熟 ， 电动汽车的续航里程普遍突破400km ， 部分高端电动汽车续航里程可达500km ， 甚至是600km以上 ， 基本解决了里程焦虑的问题 ， 但是现阶段电动汽车的充电速度仍然不能让人满意 ， 因此具有与燃油车加油速度相媲美的快充能力将成为电动汽车的下一个角力点 。
近日 ， 美国密歇根大学Kuan-Hung Chen（第一作者）和P. Dasgupta（通讯作者）等人采用激光刻蚀技术在负极表面制造了大量的微孔 ， 能够帮助Li+在厚电极中快速扩散 ， 减少大电流充电工况下负极的极化 ， 有效抑制了负极析锂 ， 显著提升了电池的快充条件下的循环性能 。
10分钟超级快充的负极应该怎么设计？
本文插图
常规的锂离子电池负极孔隙的复杂程度较高 ， 不利于Li+的扩散 ， 因此在较大的充电电流下会导致负极的极化增加 ， 可能在负极的表面产生析锂 ， 从而导致电池的性能快速衰降 。 在该项研究中作者采用激光刻蚀的方式在负极上刻蚀出了规则的直孔 ， 这些直孔可以作为Li+在负极内部快速扩散的通道 ， 从而有效的提升了厚电极的快速充电能力 。
实验中为了尽量提升电池的比能量 ， 负极采用天然石墨作为活性物质 ， 面密度为9.48mg/cm2 ， 碾压后的电极孔隙率为32%左右 。 下图e-g为对照组石墨负极的形貌 ， 可以看到天然石墨为椭球形颗粒 ， 天然石墨颗粒紧密的堆积在一起 。 下图a-d为经过激光刻蚀后的负极 ， 可以看到负极表面布满了均匀分布的微孔 ， 负极表面没有因为激光刻蚀产生明显的多余物 。 从下图d可以看到激光刻蚀的微孔呈现上宽下窄的结构 ， 顶部宽度约在42.7um ， 底部宽度约在12.4um ， 孔深约为85um ， 激光刻蚀的过程中负极会损失10.2%左右的活性物质 。
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下图中作者测试了激光刻蚀和对照组负极的快充能力 ， 下图a为在4C充电倍率下两种电池的循环性能 ， 实验采用2Ah的软包电池进行 ， 首先采用0.5C倍率循环3次 ， 以测量电池的容量 ， 然后以4C充/0.5C放倍率循环50次 ， 然后在以0.5C倍率循环3次测试剩余容量 ， 然后再以4C充/0.5C放倍率循环50次 。 从图中能够看到开始的时候采用两种负极的电池的容量是接近的 ， 但是在4C充电的过程中 ， 对照组电池容量快速衰降 ， 在循环100次后容量保持率约为69.1% ， 这主要是因为在快速充电的过程负极产生了不可逆的析锂 。 相比之下负极采用激光刻蚀后 ， 电池的快充性能得到了大幅提升 ， 在经过100次循环后容量保持率可达97.2% ， 远高于对照组 。
为了进一步验证微孔电极的快充性能 ， 作者采用6C的充电倍率对电池进行了充放电测试 ， 可以看到在这一大倍率下对照组电极衰降速度非常快 ， 100次循环后容量保持率仅为58.9% ， 同时其库伦效率在开始循环是也大幅降低到了92%左右 ， 这表明在6C的大倍率下 ， 普通负极表面出现了显著的析锂 。 相比之下 ， 采用激光打孔的负极则表现出了优异的快充性能 ， 在100次循环后 ， 容量保持率仍然可达93.4% ， 循环过程中没有发生显著的库伦效率降低 ， 平均库伦效率达到了99.93% 。
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为了分析激光刻蚀电极提升电池充电性能的原理 ， 作者在下图中分析了两种电极在不同的充电倍率下的电压曲线 ， 从图中能够看到在0.5C和1C倍率下 ， 激光刻蚀电极和对照组电极的电压曲线基本上是一致的 ， 表明此时扩散并非限制因素 ， 当充电倍率进一步提升至4C和6C ， 对照组电池的极化显著增加 ， 在4C倍率下比激光刻蚀电极高70mV ， 而在6C倍率这一差距更是达到了80mV 。 下图为循环过程中充电电压曲线的变化 ， 可以看到对照组电极在循环过程中极化快速增加 ， 而激光刻蚀负极在循环中则表现出了非常好的稳定性 ， 电池充电过程中极化增加比较少 。


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