浙大6C快充登Nature：10分鐘高速充放，漠河寒冬也不怕

曹原 2024-03-04 16:17:48 來(lái)源：量子位

曹原 發(fā)自 副駕寺

智能車參考|公眾號(hào)AI4Auto

鋰離子電池新突破來(lái)了！

應(yīng)用新電解液的液態(tài)鋰電池，10分鐘內(nèi)能完成充放電，室溫下離子電導(dǎo)率提高4倍。

同時(shí)還擁有超寬工作溫域，下至-70℃上至60℃，就算是漠河的魔鬼天氣，都能穩(wěn)定工作。

這項(xiàng)新研究成果來(lái)自浙江大學(xué)，論文已登Nature。

新鋰離子電解液：10分鐘快速充放

隨著氣溫逐漸回暖，“電動(dòng)爹”開(kāi)始沒(méi)那么難伺候。

雖說(shuō)各新能源車企為了保證冬季續(xù)航使出渾身解數(shù)，但低溫環(huán)境下，鋰電池化學(xué)反應(yīng)變慢，甚至極低溫度時(shí)電解液凍結(jié)，電池性能下降是不爭(zhēng)的事實(shí)。

并且除了低溫，高溫環(huán)境同樣會(huì)影響液態(tài)鋰離子電池的工作速率。

這其中一個(gè)重要因素就是電解質(zhì)。

眾所周知，電池充放電的速率和鋰離子在電池中移動(dòng)的速度有關(guān)。

以低溫環(huán)境為例，當(dāng)環(huán)境溫度低于-20℃時(shí)，電解液黏度增加（也就是逐漸凝固的過(guò)程），導(dǎo)致鋰離子移動(dòng)速度下降，即鋰離子電導(dǎo)率下降。

同時(shí)，因?yàn)橐簯B(tài)鋰離子電池首次充放電過(guò)程中，電極和電解液在接觸面上會(huì)形成一層鈍化層，也就是SEI膜。

雖然SEI膜可以防止電解液的溶劑分子進(jìn)入損壞電極，但在低溫環(huán)境下，這層SEI膜會(huì)越來(lái)越厚，阻抗增加，也會(huì)降低鋰離子電導(dǎo)率。

但浙江大學(xué)團(tuán)隊(duì)提出的這種電解液，基于FAN氟乙腈，從-70℃到60℃，都能保證很高的離子導(dǎo)電率。

比如在-70℃，F(xiàn)AN電解質(zhì)的電池也能達(dá)到11.9mS/cm的高離子電導(dǎo)率，高于傳統(tǒng)碳酸鹽電解質(zhì)四個(gè)數(shù)量級(jí)以上，超越該態(tài)離子電導(dǎo)率最高的電解質(zhì)。

并且還具有穩(wěn)定性。在60℃，以6C的速率進(jìn)行充放電循環(huán)，使用FAN電解液的鋰離子電池，循環(huán)600次后電池容量還保持在80%。

而在電池容量均為1.2Ah時(shí)，無(wú)論是多次循環(huán)還是溫度降至-80℃，只有使用FAN電解液的鋰離子電池還能夠提供一定的可逆容量。

即使是在一般情況，即25°C時(shí)，使用FAN電解液的電池最高實(shí)現(xiàn)40.3mS/cm的超高離子電導(dǎo)率，高于典型電解液四倍多。

也就是說(shuō)，這種新型電解液讓鋰離子電池具備超寬工作溫域的同時(shí)，還能保證穩(wěn)定、循環(huán)工作，性能和傳統(tǒng)碳酸鹽電解液相比有很大提升。

團(tuán)隊(duì)表示，在同等條件下，使用FAN電解液的電池可以實(shí)現(xiàn)充電10分鐘，電量充到80%，快充性能優(yōu)異。

那么，為什么是FAN電解質(zhì)？

配體通道促進(jìn)傳輸機(jī)制

想要在極端溫度情況下保證電池性能，也就是保證鋰離子的移動(dòng)，或者說(shuō)傳導(dǎo)速率，那么首先需要了解的是現(xiàn)有傳導(dǎo)方式的優(yōu)缺點(diǎn)。

當(dāng)前在碳酸鹽電解液中，鋰離子主要有兩種傳導(dǎo)方式，載體傳輸（Vehicular Transport）和結(jié)構(gòu)傳輸（Structural Transport），或稱跳躍傳輸（Hopping Transport）。

載體傳輸時(shí)，溶劑分子在鋰離子外形成一個(gè)溶劑化鞘（solvation sheath），這個(gè)復(fù)合物整體包著鋰離子在電解液中移動(dòng)，相當(dāng)于一個(gè)載體帶著鋰離子。

也就是說(shuō)，在載體傳輸時(shí)，鋰離子的移動(dòng)速度取決于溶劑化鞘的移動(dòng)速度。

結(jié)構(gòu)傳輸則是鋰離子在溶劑分子和陰離子之間跳躍，從而進(jìn)行移動(dòng)，鋰離子的移動(dòng)速度則取決于電解液的濃度。

而載體傳輸雖然能在低濃度電解液中實(shí)現(xiàn)高離子導(dǎo)電性，并且能夠形成穩(wěn)定的SEI膜，但是低溫、電解液濃度過(guò)高會(huì)讓溶劑化鞘移動(dòng)速度下降，降低鋰離子傳導(dǎo)速度。

結(jié)構(gòu)傳輸則在高濃度電解液中更有效，并且在某些情況下，鋰離子的高速移動(dòng)還會(huì)破壞SEI膜，影響電池性能。

所以，有沒(méi)有一種方式或者是材料，能夠同時(shí)滿足鋰離子能高速移動(dòng)，同時(shí)擁有寬工作溫域呢？

浙大團(tuán)隊(duì)在篩選溶劑時(shí)，發(fā)現(xiàn)FAN，即氟乙腈溶劑同時(shí)具有低溶劑化能，低鋰離子傳輸能壘和小分子尺寸溶劑的特點(diǎn)。

△來(lái)源：浙江大學(xué)

也就是說(shuō)，在FAN溶劑中，鋰離子與溶劑分子之間作用力弱，只需較少能量就能快速移動(dòng)，在低溫情況下也能穩(wěn)定移動(dòng)。

同時(shí)溶劑分子尺寸小，溶劑化鞘小，可以與鋰離子相互作用并調(diào)節(jié)溶劑化結(jié)構(gòu)，形成連續(xù)的鋰離子運(yùn)輸配體通道，促進(jìn)鋰離子的化學(xué)反應(yīng)。

團(tuán)隊(duì)由此提出配體通道促進(jìn)傳輸機(jī)制的概念，并引入傳輸指數(shù)（TI）這一參數(shù)，來(lái)量化鋰離子的傳輸行為。

當(dāng)TI=0時(shí)，鋰離子傳輸通過(guò)載體傳輸方式；當(dāng)TI=1時(shí)，鋰離子則通過(guò)結(jié)構(gòu)傳輸；而在一種電解質(zhì)的TI等于0.5時(shí)，該電解質(zhì)能明顯促進(jìn)配體通道傳輸。

團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，TI可以作為設(shè)計(jì)具有超離子態(tài)理想電解質(zhì)的有效參數(shù)。

浙大團(tuán)隊(duì)不僅發(fā)現(xiàn)了FAN這種能實(shí)現(xiàn)寬工作溫域、高穩(wěn)定性、高性能的電解液材料，還提出衡量電解液離子傳導(dǎo)能力的新參數(shù)。

研究團(tuán)隊(duì)介紹

論文研究團(tuán)隊(duì)主要來(lái)自浙江大學(xué)，并且不乏教學(xué)科研經(jīng)歷兼?zhèn)涞馁Y深教授、研究員。

第一作者為浙江大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院陸迪博士，和李如宏研究員。

△右一：陸迪，來(lái)源：浙江大學(xué)

李如宏博士畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學(xué)，后來(lái)到浙江大學(xué)開(kāi)展博士后研究工作。

現(xiàn)在是浙江大學(xué)杭州國(guó)際科創(chuàng)中心創(chuàng)新研究院研究員、博士生導(dǎo)師，已經(jīng)發(fā)表SCI論文60余篇，被引超過(guò)1200次。

其他作者Ling Lv、Yiqiang Huang、Chuangchao Sun、Shuoqing Zhang、Haikuo Zhang、Junbo Zhang、Sheng Yang、陳立新教授、范利武長(zhǎng)聘副教授、肖學(xué)章副教授也均來(lái)自浙江大學(xué)。

另外，還有來(lái)自美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的Muhammad Mominur Rahman博士，中國(guó)科學(xué)院的Pengyun Yu、王建平研究員，以及馬里蘭大學(xué)鄧濤博士。

本文的通訊作者包括三位，來(lái)自浙大的范修林研究員，馬里蘭大學(xué)王春生教授和布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的胡恩源教授。

△范修林

范修林研究員特別指出，這種FAN電解液材料制造的電池成本還比較高，可以先應(yīng)用于極地科考、空間探測(cè)、海底勘探等極端溫度情況。

不過(guò)隨著電解液技術(shù)的迭代，范修林研究員認(rèn)為這種鋰離子電池足夠應(yīng)用進(jìn)新能源汽車，并且團(tuán)隊(duì)已經(jīng)和相關(guān)企業(yè)展開(kāi)合作。

等到真的大規(guī)模上車的那一天，即使在冬天，電動(dòng)車也不會(huì)是輕易掉電、續(xù)航打折的“電動(dòng)爹”了。