<acronym id="msueu"></acronym>
<tr id="msueu"><optgroup id="msueu"></optgroup></tr>
<rt id="msueu"><small id="msueu"></small></rt>
<acronym id="msueu"><small id="msueu"></small></acronym>
新聞中心
/
/
/
清華大學(xué)張強Chem. Soc. Rev.綜述:快充石墨負極

清華大學(xué)張強Chem. Soc. Rev.綜述:快充石墨負極

訪(fǎng)問(wèn)量:

高性能可充電電池在人類(lèi)追求的非化石能源社會(huì )中具有不可或缺的地位。石墨負極由于其較高的理論比容量(372 mAh/g)、較低的工作電位(~0.1 V vs. Li/Li+)和較好的結構穩定性(體積變化<10%) 等優(yōu)點(diǎn),仍然是目前鋰離子電池市場(chǎng)應用最多的負極材料。然而,石墨負極較慢的嵌鋰過(guò)程阻礙了鋰離子電池的快充應用。

 

近日,清華大學(xué)張強教授、蔡文龍博士姚雨星博士生在Chemical Society Reviews上發(fā)表題為“A review on energy chemistry of fast-charging graphite anodes”的綜述性文章(圖1)。該綜述首先從理論角度出發(fā)分析石墨材料在嵌鋰過(guò)程中復雜的石墨/電解液界面化學(xué)行為。然后進(jìn)一步分析石墨負極在快充應用中存在的問(wèn)題,并總結了近年來(lái)提升石墨負極快充應用的相關(guān)策略。最后,對石墨負極的快充研究進(jìn)行了展望,以期促進(jìn)其在快充的實(shí)際應用。

 

石墨負極的快充應用

 

1. 石墨快充的研究背景

隨著(zhù)電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的逐漸興起,鋰離子電池的需求也在不斷增加。然而,鋰離子電池的諸多性能已逐漸不能滿(mǎn)足消費者的需求,如能量密度、充電速度,壽命、安全性等。目前純電動(dòng)車(chē)中的鋰離子充滿(mǎn)電所需要的時(shí)間是普通燃油車(chē)加滿(mǎn)油所花時(shí)間20~100倍。所以,電動(dòng)車(chē)充電速度成為了消費者最關(guān)心的問(wèn)題之一。美國先進(jìn)電池聯(lián)盟(USABC)對動(dòng)力電池提出的目標是 15 min 內充滿(mǎn)電池電量的 80%。對于里程要求是 400 公里的電動(dòng)車(chē)來(lái)說(shuō),至少需要 300 kW 的充電功率對 100 kWh 的電池包進(jìn)行充電才能滿(mǎn)足 USABC 的標準。目前市場(chǎng)上充電速度最快的電動(dòng)車(chē)是2019年特斯拉公司發(fā)布的 Model S,其充電功率為145kW,達到300~400公里的里程需要充電 30 min,遠沒(méi)有達到 USABC 標準(圖2)。因此,提高鋰離子電池充電速度對于進(jìn)一步推動(dòng)電動(dòng)車(chē)的市場(chǎng)化是至關(guān)重要的。

 

由于石墨的嵌鋰電位與鋰金屬沉積電位差異太小,在快速充電過(guò)程中,石墨負極側由于較大的極化會(huì )將石墨的嵌鋰電位降低至0 V以下,從而出現鋰金屬的析出現象,容易造成有限鋰源的損失、電池內阻的增大、容量的衰減等。另外,析出的鋰金屬會(huì )以枝晶的形式生長(cháng),從而會(huì )刺穿隔膜,造成電池內部短路,引起嚴重的安全問(wèn)題等。美國阿貢國家實(shí)驗室的Ahmed等研究發(fā)現當充電速率高于1 C時(shí)容易造成石墨負極的容量損失,以及在石墨表面會(huì )出現嚴重的“析鋰”。因此,石墨負極嵌鋰過(guò)程緩慢是阻礙鋰離子電池快充應用的主要因素。

 

鋰離子電池電動(dòng)車(chē)的發(fā)展歷史及相應的充電能力

 

2. 石墨嵌鋰的界面化學(xué)

2.1 基于液相電解液的鋰離子電池

研究表明,石墨的嵌鋰過(guò)程可以分為以下幾個(gè)階段,首先是電解液中溶劑化的鋰離子擴散到達石墨負極表面,由于石墨表面SEI膜的絕緣性以及較大的擴散阻抗,溶劑化的鋰離子必須發(fā)生“脫溶劑化”過(guò)程,才能擴散通過(guò)SEI 膜及進(jìn)入石墨層間參與電化學(xué)反應。該嵌鋰過(guò)程中的速控步驟一直備受爭議。目前普遍認為,在厚電極片及較大的電流密度條件下,較慢的鋰離子擴散速率是影響電池性能的主要因素;在較低溫度的工作條件下,脫溶劑化成為整個(gè)過(guò)程的速控步驟。

 

除鋰離子嵌入外,石墨的界面化學(xué)還包含另一個(gè)過(guò)程:鋰和溶劑分子的共嵌。傳統觀(guān)點(diǎn)一般認為溶劑(如PC)的共嵌會(huì )破壞石墨的層狀結構。最近的研究發(fā)現,鈉離子和鋰離子對石墨的共嵌具有良好的可逆性,并且由于共嵌過(guò)程無(wú)需進(jìn)行脫溶劑化和跨SEI輸運步驟,其電化學(xué)反應具有高倍率的特性。這為其潛在的快充應用奠定了基礎。然而共嵌反應容量較低,且電位較高,會(huì )在一定程度上降低電池的能量密度。

 

(a)石墨負極的充電過(guò)程,包括鋰離子在電解液體相的擴散、脫溶劑化、通過(guò)SEI膜及在石墨層間的擴散過(guò)程。(b)上述過(guò)程相對應的能量圖。

 

2.2 固態(tài)鋰離子電池

固態(tài)電池被認為是未來(lái)高能量密度和高安全性的電池體系,能夠大大改善電池快充的安全性。固態(tài)電池中離子在電極電解質(zhì)界面的傳輸被認為是影響電池性能的決定性因素?;诠虘B(tài)電解質(zhì)的穩定性,會(huì )存在三種可能的界面化學(xué)情況(圖4),(a)熱力學(xué)穩定的固態(tài)電解質(zhì)與石墨之間不會(huì )反應生成界面層,鋰離子能直接擴散進(jìn)石墨;(b)不穩定的固態(tài)電解質(zhì)與石墨之間生成既導離子也導電子的界面層,因此固態(tài)電解質(zhì)能在電化學(xué)循環(huán)過(guò)程中在界面層表面持續生長(cháng);(c)固態(tài)電解質(zhì)與石墨之間生成只導離子的穩定界面層,能抑制界面層的持續生長(cháng)。

 

固態(tài)電解質(zhì)和石墨之間的界面化學(xué)存在三種可能的情況,包括(a)無(wú)界面層,(b)混合導電且不穩定的界面層,(c)動(dòng)力學(xué)穩定的界面層

 

3. 石墨快充過(guò)程中存在的問(wèn)題

在液相電解液體系中,石墨材料在快充條件下由于劇烈的結構變化與較大的極化效應,容易發(fā)生鋰金屬的析出(圖5)、SEI膜的破裂及熱失控等,造成電池循環(huán)性能的衰減及安全事故的發(fā)生。另外,在固態(tài)鋰離子電池體系中,固態(tài)電解質(zhì)與石墨之間存在較差的固-固接觸、較窄的電化學(xué)窗口及較大的電解質(zhì)厚度等缺點(diǎn),也阻礙了石墨材料的快充應用。

 

(a)鋰金屬析出的宏觀(guān)及微觀(guān)行為。(b)石墨表面析出的金屬鋰可分為可逆和不可逆兩種情況。

 

4. 石墨快充的策略

在液態(tài)電解液體系中,針對鋰離子脫除溶劑化結構、擴散通過(guò) SEI 及在石墨層間傳輸的電化學(xué)過(guò)程,目前存在諸多有效的策略可以明顯提高石墨負極的快充能力,如調節鋰離子溶劑化結構、引入先進(jìn)的 SEI 膜、改性石墨材料、優(yōu)化充放電協(xié)議等。在固態(tài)鋰離子電池中,常采用的策略有增強固態(tài)電解質(zhì)與石墨之間的有效接觸、拓寬固態(tài)電解質(zhì)的電化學(xué)穩定窗口及不斷降低固態(tài)電解質(zhì)的厚度。

 

石墨材料改性以提升快充性能。(a)通過(guò)KOH刻蝕在石墨片層中造孔增強鋰離子傳輸。(b)碳納米管支撐的多孔石墨片用于快充負極材料。(c)磁場(chǎng)作用下定向排列的石墨片用于縮短鋰離子擴散路徑。

 

5. 結論與展望

快速充電是電動(dòng)汽車(chē)和插電式混合動(dòng)力汽車(chē)進(jìn)一步市場(chǎng)化的關(guān)鍵因素。實(shí)現石墨負極快充的思路主要為促進(jìn)鋰離子在電解質(zhì)及石墨材料內部的快速傳輸及加速鋰離子擴散通過(guò)界面層的動(dòng)力學(xué)過(guò)程。盡管下一代快速充電技術(shù)的商業(yè)化還有很長(cháng)的路要走,目前的研究已經(jīng)提供了多項重要的指導方針。

 

先進(jìn)的表征:首先,在常規的兩電極體系中,由于鋰電極的極化影響,很難準確的分析石墨工作電極的電化學(xué)行為,因此需要采用更先進(jìn)的三電極體系來(lái)分析石墨表面的電位信息及相應的鋰離子擴散通過(guò)SEI膜的脫溶劑化能等。其次,需要采用更先進(jìn)的表征技術(shù),如冷凍電鏡、中子衍射、同步輻射分析技術(shù)等,來(lái)加深對石墨材料的界面化學(xué)認識。

 

快充過(guò)程的分析:在石墨嵌鋰的過(guò)程中,鋰離子的溶劑化/脫溶劑化過(guò)程被認為是界面化學(xué)中至關(guān)重要的一步,能影響石墨電極表面的SEI性質(zhì)及電池的壽命等。需要采用更多先進(jìn)的原位表征,如原位拉曼、核磁等,來(lái)進(jìn)一步認識在不同電解液體系中鋰離子的溶劑化鞘的形成及脫溶劑化過(guò)程。另外,可以結合理論計算研究鋰離子擴散通過(guò)SEI膜的相關(guān)機理。

 

電池設計:對電池材料進(jìn)行設計及電池結構進(jìn)行改善是實(shí)現快充的最直接的途徑。采用功能性添加劑或發(fā)展新的鋰鹽,以提高電解液的離子導率、離子遷移數及拓寬溫度窗口,均能提高電池的快充性能。此外,在石墨表面構建穩定且具有較高離子導率的界面層能維持快充石墨負極的長(cháng)循環(huán)壽命。增加石墨材料的鋰離子嵌入位點(diǎn)及縮短鋰離子擴散距離均能提高材料的快充性能。對于固態(tài)電鋰離子電池來(lái)說(shuō),采用具有較高離子導率的電解質(zhì)、設計致密的固-固界面對于提高電池的快充性能也是十分關(guān)鍵的。最后,采用優(yōu)化的充放電協(xié)議亦能提高電池的快充能力、延長(cháng)電池的循環(huán)壽命。

 

商業(yè)化考慮:石墨負極的快充應用需要同時(shí)滿(mǎn)足多項要求,如高功率密度、較好的安全性、低價(jià)格、長(cháng)循環(huán)壽命及環(huán)境友好等。例如,盡管高濃度鋰鹽電解液具有較好的倍率性能,然而其昂貴的價(jià)格限制了其大規模應用。此外,目前大多數研究是基于mAh級別的扣式電池來(lái)研究相關(guān)機理及材料改性,其在放大生產(chǎn)的過(guò)程中可能遇到的問(wèn)題也需要考慮。對實(shí)用化體系采用軟包電池進(jìn)行評測是至關(guān)重要的。

 

快充石墨負極研究的展望分析

 

作者介紹:

蔡文龍,2019年清華大學(xué)“水木學(xué)者”計劃首批入選者,于2019年7月進(jìn)入清華大學(xué)張強教授課題組從事能源材料化學(xué)領(lǐng)域研究,主要開(kāi)展電池快充界面開(kāi)發(fā)與應用研究。在Chem. Soc. Rev, Adv. Mater., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., J. Energy Chem.等知名國際期刊發(fā)表研究結果。

 

姚雨星,2019年獲得清華大學(xué)學(xué)士學(xué)位,張強教授課題組一年級博士生,研究方向為鋰離子電池。在InfoMat, Chem. Soc. Rev., Angew. Chem. Int. Ed.上發(fā)表研究結果。

 

張強,清華大學(xué)長(cháng)聘教授、博士生導師。曾獲得國家自然科學(xué)基金杰出青年基金、教育部青年科學(xué)獎、北京青年五四獎?wù)?、英國皇家學(xué)會(huì )Newton Advanced Fellowship、清華大學(xué)劉冰獎。2017-2019年連續三年被評為“全球高被引科學(xué)家”。長(cháng)期從事能源化學(xué)與能源材料的研究。近年來(lái),致力于將國家重大需求與基礎研究相結合,面向能源存儲和利用的重大需求,重點(diǎn)研究鋰硫電池的原理和關(guān)鍵能源材料。提出了鋰硫電池中的鋰鍵化學(xué)、離子溶劑配合物概念,并根據高能電池需求,研制出復合金屬鋰負極、碳硫復合正極等多種高性能能源材料,構筑了鋰硫軟包電池器件。這在儲能相關(guān)領(lǐng)域得到應用,取得了顯著(zhù)的成效。在A(yíng)dv. Mater., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem.等發(fā)表SCI收錄論文200余篇,被他引30000余次,h因子95。授權發(fā)明專(zhuān)利40余項。擔任國際期刊J Energy Chem, Energy Storage Mater副主編,Matter, Adv Funct Mater, J Mater Chem A, ChemSusChem, Sci China Mater, 化工學(xué)報等期刊編委。曾獲得教育部自然科學(xué)一等獎等學(xué)術(shù)獎勵。

 

參考文獻:

Cai W et al. A review on energy chemistry of fast-charging anodes. Chemical Society Reviews, 2020.

https://doi.org/10.1039/C9CS00728H

高性能可充電電池在人類(lèi)追求的非化石能源社會(huì )中具有不可或缺的地位。石墨負極由于其較高的理論比容量(372 mAh/g)、較低的工作電位(~0.1 V vs. Li/Li+)和較好的結構穩定性(體積變化<10%) 等優(yōu)點(diǎn),仍然是目前鋰離子電池市場(chǎng)應用最多的負極材料。然而,石墨負極較慢的嵌鋰過(guò)程阻礙了鋰離子電池的快充應用。

 

轉載來(lái)自:http://www.nanoer.net/

99久久久无码国产精品免费砚床|国产真人一级a爱做片视频|99九九精品免费视频观看|亚洲高清中文字幕精品不卡
<acronym id="msueu"></acronym>
<tr id="msueu"><optgroup id="msueu"></optgroup></tr>
<rt id="msueu"><small id="msueu"></small></rt>
<acronym id="msueu"><small id="msueu"></small></acronym>