Joule報道：電動汽車又一里程碑式突破！利用不對稱溫度調控實現鋰離子電池的極速充電

【背景介紹】

對于新能源電池電動汽車（BEVs）而言，其行駛里程以及充電問題一直是阻礙其更大規模應用的主要問題。其中，快速、便捷的充電方式有助于改善這些問題。因此，各國政府和公司都在積極推動普及的公共直流快速充電器網絡，目前其功率最近已提高到400 kW，可在10分鐘內增加200英里的行駛里程，即所謂的極速充電（XFC）。目前，鋰離子電池（LiBs）主要使用石墨作為負極材料，而Li/Li⁺的可逆電位在100 mV之內。在充電期間，鍍在石墨表面上的Li與Li插入石墨顆粒中會競爭。為了實現<10分鐘的極速充電，則需要6 C的充電速率，但是會導致較大的陽極極化而使容量急劇下降。因此，亟需改善這一實際問題，以實現對鋰離子電池的快速充電。

【成果簡介】

近日，美國賓夕法尼亞州立大學的王朝陽（通訊作者）團隊報道了一種不對稱溫度調控（ATM）方法。利用該方法既可在60℃的高溫下為鋰離子電池充電以消除Li鍍層，又在60℃下的暴露時間限制為每次循環僅10 min，即BEV壽命的0.1％，以防止固體-電解質-中間相之間的相生長。其中，利用充/放電之間的不對稱溫度開辟了一條既增強充電過程中的動力學和傳輸性能，又可保證長使用壽命的新途徑。研究發現，一個9.5-Ah 170-Wh/kg的電池在ATM上以20％的容量損失下維持了1700個XFC循環（6 C充電至80％的荷電狀態），而對照電池為60個循環，而209-Wh/kg BEV電池在2500次XFC循環后仍保持91.7％的容量。研究成果以題為“Asymmetric Temperature Modulation for Extreme Fast Charging of Lithium-Ion Batteries”發布在國際著名期刊Joule上。

文章亮點：

1、不對稱的充/放電溫度可實現持久的極快充電。

2、高溫充電通過消除了Li鍍層以增強的運輸和動力學性能。

3、有限的高溫暴露時間可避免嚴重的SEI增長。

4、 較高的充電溫度將電池冷卻需求減少了12X以上。

【圖文解讀】

圖一、不對稱溫度調控方法
（A）隨著溫度的升高，石墨交換電流密度、石墨固態擴散率和電解質電導率被提高；

（B）非對稱溫度調控（ATM）方法的示意圖；

（C-E）利用ATM在極快充電周期中（C）電池電壓、（D）電流和（E）溫度的變化。

圖二、在高溫條件下充電以減少冷卻需求
（A-B）在CCCV（6 C，4.2 V）充電過程中，平均充電溫度為26℃、40℃、49℃和60℃時（A）電池電壓和（B）電池溫度的變化；

（C）四個PHEV電池的充電過程中，平均發熱量的變化以及所需的冷卻需要平衡發熱量；

（D）在加熱和充電過程中，上述四個電池的熱量總能量損失。

圖三、通過降低充電溫度下的鋰鍍層來延長循環壽命
（A）在不同的平均充電溫度下CCCV（6 C，4.2 V）充電至80％SOC之后，其余步驟中電壓的時間導數；

（B）在不同充電溫度下的XFC循環測試期間，四個PHEV電池的容量保持率；

（C-F）XFC循環測試后，在（C）26℃、（D）40℃、（E）49℃和（F）60℃的平均充電溫度下四個電池的石墨正極照片；

（G-H）在（G）26℃和（H）60℃下來自電池的老化石墨正極的SEM圖像。

圖四、利用XPS研究不同充電溫度下的電池
（A）在26℃和60℃的充電溫度下進行XFC循環測試后，來自電池的正極樣品的Li 1s光譜的XPS深度剖析；

（B）來自26℃和60℃電池的正極樣品的C 1s、Li 1s、P 2p和F 1s的高分辨率XPS光譜；

（C）來自26℃和60℃電池的正極樣品的元素濃度。

圖五、其余步驟的影響可忽略不計
（A-B）在60℃的加熱狀態下充有6 C的電荷，在有無10 min的靜置步驟下循環電池的電壓和溫度曲線；

（C）在另外20個XFC測試中1 C放電容量的變化。

圖六、解決Li電鍍與SEI增長之間的問題 （A-C）容量保留與時間的關系；

（D-F）在（D）40℃、（E）50℃和（F）60℃的溫度下，ATM和基準電池的容量保持率與等效全周期。

圖七、利用低比表面積的石墨對高能BEV電池具有優異的可循環性
（A）容量保留與時間的關系；

（B）ATM信元的容量保持率與周期數的關系；

（C）每個周期中總充電時間的變化；

（D）快速充電的比能量的變化。

【小結】

綜上所述，作者提出的一種ATM方法可在60℃的高溫下為電池極速充電，并在較低溫度下放電（并存儲）電池。其中，在60℃下的有限暴露時間可以有效地消除了Li鍍層，提高了電池的動力學和傳輸性能，同時仍保持了SEI溫和的增長。研究證明，利用工業上可獲得的電池材料，ATM可以實現LiBs的耐用XFC。隨著平均充電溫度從26℃升高到60℃，在XFC下，9.5-Ah、170 Wh/kg電池的循環壽命從60次循環增加到1700次循環。由于發熱速率較小且溫度差驅動散熱較大，因此在60℃進行充電可將電池冷卻需求減少了12x以上。總之，利用低BET面積的石墨來抑制SEI的生長，C/3比能為209 Wh/kg（35 Ah）的高能BEV電池具有優異的可循環性，在2500次后容量損失僅為8.3％，使得XFC循環是目前XFC最佳的循環壽命，具有非常大的應用前景。

文獻鏈接：Asymmetric Temperature Modulation for Extreme Fast Charging of Lithium-Ion Batteries（Joule, 2019, DOI: 10.1016/j.joule.2019.09.021）

本文由CQR編譯。

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