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10分钟超级快充的负极应该怎么设计？( 二 )


10分钟超级快充的负极应该怎么设计？
本文插图
为了分析电池在快充过程中的衰降机理 ， 作者对6C充电倍率下循环的电池进行了解剖分析 ， 从下图中能够看到对照组负极表面在循环后出现了相当数量的金属锂镀层 ， 这表明在循环过程中负极表面出现了相当数量的金属锂沉积 ， 并且部分失去与电极的接触成为''死锂'' ， 从而加速了电池容量的损失 。
相比之下 ， 激光刻蚀的负极即便是在100次6C充电后电极表面仍然保持了干净的形貌 ， 并没有出现明显的金属锂沉积层 ， 这表明电极表面的微孔能够有效的促进Li+的扩散 ， 抑制负极表面的金属锂沉积 。
10分钟超级快充的负极应该怎么设计？
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作者为了进一步分析激光刻蚀微孔电极提升电池快充能力的机理 ， 对电极的充电过程进行了建模分析 ， 该模型能够分析Li+在石墨固相和电解液中的扩散 ， 以及界面的副反应 。 下图c中为两种电极在4C充电倍率下负极电压的变化 ， 从图中能够看到对照组电极在充电开始后电压快速下降 ， 仅用125s就达到了0V ， 而激光刻蚀微孔电极则用了364s的时间才达到了0V ， 这表明在充电过程中激光刻蚀微孔电极的极化更小 。
下图a和b中作者对比了两种电极在充电过程中电解液中Li浓度变化 ， 从图中可以看到对照组电极表面的Li浓度显著高于电极内部 ， 存在非常大的浓度梯度 。 相比之下 ， 激光刻蚀微孔电极内部的Li分布则更加均匀 ， 浓度梯度也更小 ，
10分钟超级快充的负极应该怎么设计？
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下图为采用激光刻蚀的微孔电极在4C和6C倍率下长期循环数据 ， 从图中能够看到 ， 在4C的快充倍率下 ， 经过500次循环电池的容量保持率为92% ， 600次循环后电池的容量保持率为91% 。 在更快的6C充电倍率下 ， 经过500次循环电池的容量保持率为87% ， 600次循环后可达86% ， 可见即便是在超高的充电倍率下激光刻蚀的微孔电极也表现出了极佳的循环性能 。
USABC的目标是使得电动汽车在15min内充入不少于80%的容量 ， 从下图b可以看到在4C充电倍率下 ， 循环的初期15min内可以充入92%的容量 ， 即便是在600次循环后 ， 15min内也能够充入84%的容量 ， 完全可以满足USABC的要求 。 如果是在6C的倍率下 ， 在循环的初期 ， 10min可以充入90%的容量 ， 即便是在经过600次循环后电池也能够充入77%的容量 。
10分钟超级快充的负极应该怎么设计？
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Kuan-Hung Chen通过进行激光刻蚀的方式在负极表面制造了大量的微孔 ， 有效的加速了Li+在电极内部的扩散速度 ， 减少了充电过程中负极的极化 ， 避免了负极析锂 ， 从而显著的提升了在快充制度下的循环寿命 ， 对于提升电动汽车的使用体验具有重要的意义 。
本文主要参考以下文献 ， 文章仅用于对相关科学作品的介绍和评论 ， 以及课堂教学和科学研究 ， 不得作为商业用途 。 如有任何版权问题 ， 请随时与我们联系 。
Efficient fast-charging of lithium-ion batteries enabled by laser-patterned three-dimensional graphite anode architectures,Journal of Power Sources 471 (2020) 228475,Kuan-Hung Chen, Min Ji Namkoong, Vishwas Goel, Chenglin Yang, Saeed Kazemiabnavi, S.M. Mortuza, Eric Kazyak, Jyoti Mazumder, Katsuyo Thornton, Jeff Sakamoto, Neil P. Dasgupta
【10分钟超级快充的负极应该怎么设计？】文/凭栏眺


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