為縮短電動汽車充電時間，科學家們一直在積極尋找新方案。近日，中國科學技術大學俞書宏院士團隊與姚宏斌、倪勇教授團隊合作，致力於解決鋰離子電池高能量密度與快充性能之間的矛盾，提出並製備出一種新型雙梯度石墨負極材料，實現了鋰離子電池在6分鐘內充電
60%。相關成果近日發表於《科學進展》。
高能量密度與快充性能是一對矛盾
當前，鋰離子電池驅動的電動汽車因其節能、環保受到人們青睞。然而，電動汽車的充電時間遠長於傳統燃油汽車的加油時間，大大降低了使用體驗感。
“這主要是因為鋰離子電池中石墨負極較差的倍率性能，限制了電動汽車的快速充電能力。”論文共同第一作者、中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家研究中心特任副研究員盧磊磊向《中國科學報》解釋。
能量密度、功率密度是評價電池系統的兩個重要參數。能量密度決定着單位質量/體積下可以儲存的能量大小，而功率密度則決定着電池充放的倍率。理想狀態下，這兩項參數越高，鋰離子電池性能越好。然而，高能量密度與快充性能是一對矛盾，是一個“此起彼伏”的過程。
盧磊磊說，“高能量密度通常意味着電池單體活性物質載量比較高，電極比較厚，從而具有較長的鋰離子傳輸路徑，限制充放電倍率。”
因此，為提高石墨負極的倍率性能，傳統的策略通常是將石墨電極做到多孔或變薄。 “但是，這些方法往往就會犧牲所製備電池的能量密度。”盧磊磊坦言。
有沒有一種解決方案，能夠實現高能量密度與快充性能“魚與熊掌”的兼得？俞書宏團隊決定從設計電極結構入手，在保證能量密度的情況下提升鋰離子電池的快充性能。
給石墨顆粒“排隊”加快充電速度
研究團隊首先構建了一種新型粒子級理論模型，用於同時優化電極結構中粒度分佈和電極孔隙率分佈兩個參數，提高石墨負極的快充性能。
盧磊磊介紹，傳統的二維模型通常簡化顆粒為均質球形以及孔隙均勻分佈。事實上，石墨顆粒多是大小不一、形狀不同，通常以相當隨機的順序排列。同時孔的形狀和大小也非均勻分佈。
而新型粒子級理論模型是基於真實的石墨顆粒構建出的三維模型，與現實的電極結構很接近。
在粒子級理論模型中，研究人員按照石墨顆粒大小的順序重新“排隊”，同時調整電極孔隙率大小分佈。具體表現為，越接近電池頂部的石墨顆粒更小，孔隙率更高，越接近底部顆粒更大，孔隙率更低。
“我們將這種結構稱之為雙梯度電極。”盧磊磊說，模擬計算結果表明，在大電流密度充電條件下，這種新結構相對於傳統的隨機均質電極以及單梯度電極，展現出了優異的快充性能。
理想的結構模型已找到，接下來就是如何在電極中實現。
傳統的電極製備方法中，由於漿料黏度很高，製備的石墨漿料穩定，不易發生沉降。因此製備出的電極，包括石墨顆粒大小和孔隙率大小通常都是均勻分佈。盧磊磊說，“就像速溶奶粉，取任何一部分都是均質的。”
如何構築一種“異質”結構？研究團隊開發了一種低粘度無聚合物粘結劑漿料自組裝技術，混合銅包覆的石墨負極顆粒以及銅納米線於乙醇溶液中製成漿料，利用不同尺寸顆粒石墨在漿料中沉降速度差異性，成功構建出模擬計算優化的雙梯度結構，得到電極。
研究人員發現，基於這種新型雙梯度石墨負極材料製備出的鋰離子電池分別在5.6分鐘和11.4分鐘從零充電到60%和80%，同時保持高能量密度。
6分鐘快充技術離產業化有多遠？
那完成100%充電需要多長時間？
“其實，這是一個誤區。通常評價電池快充性能都是考量充電到60%或者80%容量時間。”盧磊磊說，比如電動汽車製造商通常建議將車輛充電至80%，以保持電池壽命。
談到這項研究的最大亮點，盧磊磊認為，“就是完成了一個假設、理論模型建立到實驗再驗證的過程，為克服鋰離子電池的高能量密度和快充性能之間的矛盾提供了新的思路。”
“距離產業化還有一定距離。”盧磊磊坦言，比如目前實驗室的製備方法很難實現大規模生產，雙梯度結構的設計很難保持電極的一致性。
“目前，團隊正逐步解決這些問題。希望有朝一日這種更高效的電池可以為電動汽車提供動力。”盧磊磊說。
“這種電極結構設計給解決快充提供了新思路，建議在大電池中應用進一步評價其性能，同時比較關注電極製備成本。”一位審稿人如是說。