Joule报道：电动汽车又一里程碑式突破！利用不对称温度调控实现锂离子电池的极速充电

【背景介绍】

对于欧洲杯线上买球 电池电动汽车（BEVs）而言，其行驶里程以及充电问题一直是阻碍其更大规模应用的主要问题。其中，快速、便捷的充电方式有助于改善这些问题。因此，各国政府和公司都在积极推动普及的公共直流快速充电器网络，目前其功率最近已提高到400 kW，可在10分钟内增加200英里的行驶里程，即所谓的极速充电（XFC）。目前，锂离子电池（LiBs）主要使用石墨作为负极材料，而Li/Li⁺的可逆电位在100 mV之内。在充电期间，镀在石墨表面上的Li与Li插入石墨颗粒中会竞争。为了实现<10分钟的极速充电，则需要6 C的充电速率，但是会导致较大的阳极极化而使容量急剧下降。因此，亟需改善这一实际问题，以实现对锂离子电池的快速充电。

【成果简介】

近日，美国宾夕法尼亚州立大学的王朝阳（通讯作者）团队报道了一种不对称温度调控（ATM）方法。利用该方法既可在60℃的高温下为锂离子电池充电以消除Li镀层，又在60℃下的暴露时间限制为每次循环仅10 min，即BEV寿命的0.1％，以防止固体-电解质-中间相之间的相生长。其中，利用充/放电之间的不对称温度开辟了一条既增强充电过程中的动力学和传输性能，又可保证长使用寿命的新途径。研究发现，一个9.5-Ah 170-Wh/kg的电池在ATM上以20％的容量损失下维持了1700个XFC循环（6 C充电至80％的荷电状态），而对照电池为60个循环，而209-Wh/kg BEV电池在2500次XFC循环后仍保持91.7％的容量。研究成果以题为“Asymmetric Temperature Modulation for Extreme Fast Charging of Lithium-Ion Batteries”发布在国际著名期刊Joule上。

文章亮点：

1、不对称的充/放电温度可实现持久的极快充电。

2、高温充电通过消除了Li镀层以增强的运输和动力学性能。

3、有限的高温暴露时间可避免严重的SEI增长。

4、 较高的充电温度将电池冷却需求减少了12X以上。

【图文解读】

图一、不对称温度调控方法
（A）随着温度的升高，石墨交换电流密度、石墨固态扩散率和电解质电导率被提高；

（B）非对称温度调控（ATM）方法的示意图；

（C-E）利用ATM在极快充电周期中（C）电池电压、（D）电流和（E）温度的变化。

图二、在高温条件下充电以减少冷却需求
（A-B）在CCCV（6 C，4.2 V）充电过程中，平均充电温度为26℃、40℃、49℃和60℃时（A）电池电压和（B）电池温度的变化；

（C）四个PHEV电池的充电过程中，平均发热量的变化以及所需的冷却需要平衡发热量；

（D）在加热和充电过程中，上述四个电池的热量总能量损失。

图三、通过降低充电温度下的锂镀层来延长循环寿命
（A）在不同的平均充电温度下CCCV（6 C，4.2 V）充电至80％SOC之后，其余步骤中电压的时间导数；

（B）在不同充电温度下的XFC循环测试期间，四个PHEV电池的容量保持率；

（C-F）XFC循环测试后，在（C）26℃、（D）40℃、（E）49℃和（F）60℃的平均充电温度下四个电池的石墨正极照片；

（G-H）在（G）26℃和（H）60℃下来自电池的老化石墨正极的SEM图像。

图四、利用XPS研究不同充电温度下的电池
（A）在26℃和60℃的充电温度下进行XFC循环测试后，来自电池的正极样品的Li 1s光谱的XPS深度剖析；

（B）来自26℃和60℃电池的正极样品的C 1s、Li 1s、P 2p和F 1s的高分辨率XPS光谱；

（C）来自26℃和60℃电池的正极样品的元素浓度。

图五、其余步骤的影响可忽略不计
（A-B）在60℃的加热状态下充有6 C的电荷，在有无10 min的静置步骤下循环电池的电压和温度曲线；

（C）在另外20个XFC测试中1 C放电容量的变化。

图六、解决Li电镀与SEI增长之间的问题（A-C）容量保留与时间的关系；

（D-F）在（D）40℃、（E）50℃和（F）60℃的温度下，ATM和基准电池的容量保持率与等效全周期。

图七、利用低比表面积的石墨对高能BEV电池具有优异的可循环性
（A）容量保留与时间的关系；

（B）ATM信元的容量保持率与周期数的关系；

（C）每个周期中总充电时间的变化；

（D）快速充电的比能量的变化。

【小结】

综上所述，作者提出的一种ATM方法可在60℃的高温下为电池极速充电，并在较低温度下放电（并存储）电池。其中，在60℃下的有限暴露时间可以有效地消除了Li镀层，提高了电池的动力学和传输性能，同时仍保持了SEI温和的增长。研究证明，利用工业上可获得的电池材料，ATM可以实现LiBs的耐用XFC。随着平均充电温度从26℃升高到60℃，在XFC下，9.5-Ah、170 Wh/kg电池的循环寿命从60次循环增加到1700次循环。由于发热速率较小且温度差驱动散热较大，因此在60℃进行充电可将电池冷却需求减少了12x以上。总之，利用低BET面积的石墨来抑制SEI的生长，C/3比能为209 Wh/kg（35 Ah）的高能BEV电池具有优异的可循环性，在2500次后容量损失仅为8.3％，使得XFC循环是目前XFC最佳的循环寿命，具有非常大的应用前景。

文献链接：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编译。

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