充電5分鐘 行駛1000公里——快充鋰離子電池研究取得進展
在過去的這個國慶假期期間，筆者駕車出游，在高速服務區(qū)驚喜的發(fā)現已經開始出現充電樁了，這表明隨著電動汽車的日漸普及，相關的配套設施也開始逐步增加，這對于提高電動汽車的便利性而言具有重要的意義。提到電
隨著充電樁數量問題得到解決，我們還需要克服電動車充電時間長的問題，燃油車在加油站加油時間一般在5分鐘左右，而電動汽車充電時間動輒一兩個小時，短的也要40分鐘，這也造成了電動汽車長途旅行非常不方便，解決這一問題就需要動力電池工程師從技術層面提出解決方案。近日美國萊斯大學的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，其庫倫效率可達96%以上。由該材料作為負極的全電池功率密度可達1322W/kg，能量密度可達943Wh/kg，具有非常好的應用前景。
金屬鋰負極帶來的高能量密度的同時，也會帶來鋰枝晶的問題，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、中空碳納米球等結構，但是這些結構一般都成本高昂或者工藝復雜，因此難以在實際中應用，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℃下進行高溫處理，除去其內部所含有的石油成分，然后利用KOH對其進行活化，從而在其表面產生大量的孔洞，從而顯著的提高材料的比表面積（詳細的制備過程可以參考原文）。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，通過控制沉積時間，將Li：C控制在1:5左右，半電池的充放電庫倫效率如下圖a所示，可以看到Asp-GNRs材料的庫倫非常高，從1.3C到10.4C庫倫效率都在95.4%以上。從圖b和圖c可以看到，無論是在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，而沒有形成枝晶。TuoWang認為這主要是因為在多孔碳Asp-GNRs表面含有較多的含氧官能團，從而保證材料和電解液界面具有很好的潤濕性，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行了循環(huán)測試，在2.5mA/cm2的電流密度下循環(huán)505次，電池的平均庫倫效率達到99%，從下圖a中可以看到在經過了150次循環(huán)后，電池的庫倫效率變的更加穩(wěn)定，這主要是因為材料中的一些引起副反應的物質逐步消耗，以及SEI膜的逐漸穩(wěn)定。
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