科学探索|新材料突破锂离子电池瓶颈 6分钟充电60% 新材料突破锂离子电池瓶颈|

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% 。相关成果近日发表于《科学进展》。

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高能量密度与快充性能是一对矛盾
当前，锂离子电池驱动的电动汽车因其节能、环保受到人们青睐。然而，电动汽车的充电时间远长于传统燃油汽车的加油时间，大大降低了使用体验感。
“这主要是因为锂离子电池中石墨负极较差的倍率性能，限制了电动汽车的快速充电能力。”论文共同第一作者、中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心特任副研究员卢磊磊向《中国科学报》解释。
【科学探索|新材料突破锂离子电池瓶颈 6分钟充电60%】能量密度、功率密度是评价电池系统的两个重要参数。能量密度决定着单位质量/体积下可以储存的能量大小，而功率密度则决定着电池充放的倍率。理想状态下，这两项参数越高，锂离子电池性能越好。然而，高能量密度与快充性能是一对矛盾，是一个“此起彼伏”的过程。
卢磊磊说，“高能量密度通常意味着电池单体活性物质载量比较高，电极比较厚，从而具有较长的锂离子传输路径，限制充放电倍率。”
因此，为提高石墨负极的倍率性能，传统的策略通常是将石墨电极做到多孔或变薄。“但是，这些方法往往就会牺牲所制备电池的能量密度。”卢磊磊坦言。
有没有一种解决方案，能够实现高能量密度与快充性能“鱼与熊掌”的兼得？俞书宏团队决定从设计电极结构入手，在保证能量密度的情况下提升锂离子电池的快充性能。
给石墨颗粒“排队”加快充电速度
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。
卢磊磊介绍，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。具体表现为，越接近电池顶部的石墨颗粒更小，孔隙率更高，越接近底部颗粒更大，孔隙率更低。
“我们将这种结构称之为双梯度电极。”卢磊磊说，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。
理想的结构模型已找到，接下来就是如何在电极中实现。
传统的电极制备方法中，由于浆料黏度很高，制备的石墨浆料稳定，不易发生沉降。因此制备出的电极，包括石墨颗粒大小和孔隙率大小通常都是均匀分布。卢磊磊说，“就像速溶奶粉，取任何一部分都是均质的。”
如何构筑一种“异质”结构？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。