充電5分鐘行駛1000公里——快充鋰離子電池研究取得進(jìn)展

2017-10-09 15:10:55 新能源Leader 　點(diǎn)擊量：評(píng)論 (0)

在過(guò)去的這個(gè)國(guó)慶假期期間，筆者駕車出游，在高速服務(wù)區(qū)驚喜的發(fā)現(xiàn)已經(jīng)開始出現(xiàn)充電樁了，這表明隨著電動(dòng)汽車的日漸普及，相關(guān)的配套設(shè)施也開始逐步增加，這對(duì)于提高電動(dòng)汽車的便利性而言具有重要的意義。提到電動(dòng)汽車大家首先想到的可能是充電不方便，特別是在長(zhǎng)途行駛的過(guò)程中，在偏遠(yuǎn)地區(qū)可能數(shù)百公里都沒(méi)有充電設(shè)施，這對(duì)于電動(dòng)汽車而言確實(shí)是一個(gè)非常大的挑戰(zhàn)。的確，現(xiàn)階段由于相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)步伐還沒(méi)有跟上，因此電動(dòng)汽車的充電確實(shí)還面臨著一些問(wèn)題，但是筆者相信隨著國(guó)家對(duì)相關(guān)領(lǐng)域投資力度的加大，電動(dòng)汽車最終會(huì)像燃油車一樣方便。

隨著充電樁數(shù)量問(wèn)題得到解決，我們還需要克服電動(dòng)車充電時(shí)間長(zhǎng)的問(wèn)題，燃油車在加油站加油時(shí)間一般在5分鐘左右，而電動(dòng)汽車充電時(shí)間動(dòng)輒一兩個(gè)小時(shí)，短的也要40分鐘，這也造成了電動(dòng)汽車長(zhǎng)途旅行非常不方便，解決這一問(wèn)題就需要?jiǎng)恿﹄姵毓こ處煆募夹g(shù)層面提出解決方案。近日美國(guó)萊斯大學(xué)的TuoWang等人發(fā)明了一種由瀝青為原材料制成的多孔碳材料作為金屬Li的載體，由于多孔碳材料巨大的比表面積（>3000m2／g），從而使得該材料具有優(yōu)異的倍率性能，在5A/gLi（1.3C）和40A/gLi的電流密度下，其庫(kù)倫效率可達(dá)96%以上。由該材料作為負(fù)極的全電池功率密度可達(dá)1322W/kg，能量密度可達(dá)943Wh/kg，具有非常好的應(yīng)用前景。

金屬鋰負(fù)極帶來(lái)的高能量密度的同時(shí)，也會(huì)帶來(lái)鋰枝晶的問(wèn)題，解決金屬鋰枝晶的方法主要有兩種：1）形成更加穩(wěn)定SEI膜；2）將金屬Li沉積其他載體上。TuoWang在這里采用的就是第二種方法，一般而言金屬Li載體主要有石墨烯、氧化還原石墨烯和銅納米線網(wǎng)、中空碳納米球等結(jié)構(gòu)，但是這些結(jié)構(gòu)一般都成本高昂或者工藝復(fù)雜，因此難以在實(shí)際中應(yīng)用，而TuoWang利用瀝青材料制備的多孔碳材料Asp不僅具有非常高的比表面積，還具有非常低廉的成本和簡(jiǎn)單的制備工藝，非常適合作為金屬Li的載體。

為了制備多孔碳材料首先需要將瀝青在400℃下進(jìn)行高溫處理，除去其內(nèi)部所含有的石油成分，然后利用KOH對(duì)其進(jìn)行活化，從而在其表面產(chǎn)生大量的孔洞，從而顯著的提高材料的比表面積（詳細(xì)的制備過(guò)程可以參考原文）。由于上述工藝制備的多孔碳材料由于比表面積大，因此金屬鋰會(huì)沉積在其表面形成鍍層，而不是行程金屬Li枝晶。

將上述材料制備的Asp-GNRs材料添加導(dǎo)電性更好的石墨烯納米帶GNRs，然后涂布在銅箔的表面，然后組裝成半電池，通過(guò)控制沉積時(shí)間，將Li：C控制在1:5左右，半電池的充放電庫(kù)倫效率如下圖a所示，可以看到Asp-GNRs材料的庫(kù)倫非常高，從1.3C到10.4C庫(kù)倫效率都在95.4%以上。從圖b和圖c可以看到，無(wú)論是在2.6C還是在10.4C下，Asp-GNRs材料的極化都要明顯低于裸露的銅箔。SEM圖像也顯示，在2.6C倍率下長(zhǎng)期循環(huán)（30次）后，金屬Li仍然能夠在其表面均勻的形成鍍層，而沒(méi)有形成枝晶。TuoWang認(rèn)為這主要是因?yàn)樵诙嗫滋糀sp-GNRs表面含有較多的含氧官能團(tuán)，從而保證材料和電解液界面具有很好的潤(rùn)濕性，從而使得其巨大的比表面積都能夠參與到Li的沉積中，從而降低電流密度，減小電極極化。

TuoWang還利用上述的半電池進(jìn)行了循環(huán)測(cè)試，在2.5mA/cm2的電流密度下循環(huán)505次，電池的平均庫(kù)倫效率達(dá)到99%，從下圖a中可以看到在經(jīng)過(guò)了150次循環(huán)后，電池的庫(kù)倫效率變的更加穩(wěn)定，這主要是因?yàn)椴牧现械囊恍┮鸶狈磻?yīng)的物質(zhì)逐步消耗，以及SEI膜的逐漸穩(wěn)定。

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