現(xiàn)在年輕人頂天的發(fā)際線向世界傳遞了一個信息“我挺焦慮”，關(guān)于愁的內(nèi)容就像托爾斯泰說的幸福的家庭都是相似的，不幸的家庭各有各的不幸，而年輕人也各有各的愁法。買了新能源車的新車主們也逐漸有了關(guān)于里程的焦慮，真真是沒有對比就沒有傷害，跟傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)汽車相比，電動汽車和混合插電式汽車的行駛里程及充電時間長讓車主們愁的摸腦門，沒買的也因?yàn)檫@個問題遲遲不敢剁手，讓做市場的人員恨不得自己投身于科研。

目前電動汽車和插電式混合動力汽車主要的充電集中在住宅和辦公場所，主要原因還是充電時間長唄。美國汽車工程師協(xié)會定義了1級充電--120V交流電最大充電功率1.9KW（最大充電電流16A），二級充電--208-240V交流電，最大充電功率19.2KW（最大充電電流80A）。目前最大功率為50KW的直流充電樁可以實(shí)現(xiàn)廣告上說的充電20分鐘，多走160里（J1772定義的充電電壓200-450V，電流密度80A-200A，分別對應(yīng)一級/二級充電），特斯拉“御用”的增壓充電樁充電功率能達(dá)到120KW（480V直流電，支持高功率145KW充電），充30分鐘走200英里里程，當(dāng)銷售人員自信的介紹完這些參數(shù)，消費(fèi)者只會問“有加油快么？兄弟”，所以說市場需求引導(dǎo)技術(shù)方向啊。美國能源部提出極速充電（XFC）技術(shù)是提高電動汽車和插電式混合動力汽車購買使用率，降低尾氣排放保護(hù)環(huán)境的關(guān)鍵技術(shù)。也就是說，只要能做到極速充電，基本上抹平了消費(fèi)者心中那些小疙瘩。

美國先進(jìn)電池聯(lián)盟提出了一個“小目標(biāo)”，低成本/快充動力電池要在2023年實(shí)現(xiàn)充電15分鐘，電量達(dá)80%，并且滿足其他要求（電芯水平$75/KWh,550Wh/L和275Wh/Kg）。圖1是理論充電時間和相應(yīng)充電倍率圖，大的電池包需要更長的充電時間，因此充電樁規(guī)模要根據(jù)電池包尺寸來設(shè)計，比如電池包比較大（大于90KWh），充電樁設(shè)計最少要300KW才能實(shí)現(xiàn)15分鐘充電的目標(biāo)，當(dāng)然大的電池包能提供更長的續(xù)航里程。

Figure1EV電池快充技術(shù)要求概述：a，目前可用的充電方法與XFC的比較（級別1和2是由汽車工程師協(xié)會制定的標(biāo)準(zhǔn)J1772，至今部署的快充充電樁直流電動機(jī)最大充電功率約為50千瓦；特斯拉增壓器最大功率達(dá)到120KW屬于二級充電水平；XFC充電功率按照350kW計算，車輛能耗為每英里285Wh并且不考慮充電效率；b，三種電池包充電80%SOC的理論曲線和相應(yīng)的充電倍率函數(shù)曲線，陰影區(qū)域代表滿足美國高級電池聯(lián)盟目標(biāo)的低成本/快充EV電池（充電15分鐘，電池容量的80％）充電功率

愿望都是美好的，但是想要實(shí)現(xiàn)XFC的應(yīng)用需要寬領(lǐng)域多層次的研究和合作，從快充結(jié)構(gòu)到汽車設(shè)計再到單體電芯，包括極速充電期間電網(wǎng)負(fù)載的平衡，用合理的商業(yè)模型實(shí)現(xiàn)充電樁的應(yīng)用，升級汽車動力系統(tǒng)和熱管理系統(tǒng)，限制系統(tǒng)升級的成本等等。因此，鋰離子電池是快充的關(guān)鍵技術(shù)，目前的石墨陽極和金屬氧化物陰極液態(tài)電池體系想要實(shí)現(xiàn)XFC的目標(biāo)并不利于電池的性能發(fā)揮和安全性。高電流密度帶來大的極化會影響活性物質(zhì)的利用率從而引起鋰枝晶的生長和過熱問題。

過針刺 低溫防爆18650 2200mah

符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)

充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%

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這篇綜述針對極速充電的目標(biāo)，從物質(zhì)傳遞和電荷轉(zhuǎn)移的角度總結(jié)了目前快充材料的瓶頸問題，也順便說說適應(yīng)快充系統(tǒng)的電池?zé)峁芾韱栴}。另外，這里提到利于我們進(jìn)一步了解快充技術(shù)的表征技術(shù)，爭取為快充材料的設(shè)計提供更多具有參考價值的信息。

【成果簡介】

斯坦福大學(xué)崔屹等人（通訊，YayuanLiu、YangyingZhu共同一作）近日在NatureEnergy發(fā)表題為Challengesandopportunitiestowardsfast-chargingbatterymaterials的文章，從目前新能源汽車面臨的困境入手，提出快充技術(shù)在未來新能源汽車市場的作用和意義。針對目前的快充技術(shù)瓶頸從物質(zhì)傳遞、電荷轉(zhuǎn)移、熱管理和表征技術(shù)幾個方面總結(jié)分析了當(dāng)前快充技術(shù)的問題、解決方案和未來的研究方向。

【研究亮點(diǎn)】

系統(tǒng)總結(jié)了極速充電面臨的幾大挑戰(zhàn)和機(jī)遇，從物質(zhì)傳遞、電荷轉(zhuǎn)移、熱管理及表征技術(shù)四個方面闡述并分析了當(dāng)前電池材料用于快充所面臨的主要問題、解決方案以及未來研究方向。

無人船智能鋰電池

IP67防水，充放電分口 安全可靠

標(biāo)稱電壓：28.8V
標(biāo)稱容量：34.3Ah
電池尺寸：(92.75±0.5)* (211±0.3)* (281±0.3)mm
應(yīng)用領(lǐng)域：勘探測繪、無人設(shè)備

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一、電解質(zhì)物質(zhì)傳遞

電解質(zhì)傳輸性質(zhì)在確定電池的充電速度方面起決定性作用。為了增強(qiáng)快充性能，可以從這4個方向著手：1）提高電解質(zhì)離子導(dǎo)電性；2）提高電解質(zhì)鋰離子傳遞數(shù)量；3）減少電極彎曲變形；4）電池輕量化設(shè)計

二、電極電荷轉(zhuǎn)移

當(dāng)充電速率超過石墨晶體結(jié)構(gòu)中的嵌入速率時，就會在石墨上發(fā)生析鋰現(xiàn)象，從而影響快充性能。為了增強(qiáng)快充性能，可以從這6個方向著手：1）加速鋰離子去溶劑化；2）使用低電阻SEI；3）增加活性位點(diǎn)的密度；4）早期檢測發(fā)現(xiàn)枝晶并抑制枝晶生長；5）尋找其他負(fù)極材料；6）質(zhì)量傳遞與電荷轉(zhuǎn)移的非關(guān)聯(lián)研究

三、熱管理

鋰離子電池的性能和安全性受溫度的影響很大。在低溫下，電池動力學(xué)緩慢；而在高溫下，電池加速老化，極端溫度條件甚至?xí)l(fā)熱失控。因此XFC的應(yīng)用必須考慮運(yùn)行環(huán)境和溫度控制問題

四、表征技術(shù)

先進(jìn)的表征技術(shù)，特別是具有高空間或時間分辨率的技術(shù)，可以得到更精確地反應(yīng)信息從而反過來優(yōu)化材料設(shè)計。

【圖文導(dǎo)讀】

①電解質(zhì)傳質(zhì)過程

電解質(zhì)的傳質(zhì)過程對電池的快充性能具有決定性的作用，歐姆電壓降隨電解質(zhì)變化，尤其在低溫條件下可能引起提前達(dá)到截止電壓而限制電池容量。更重要的是，在電化學(xué)反應(yīng)過程中，液態(tài)電解質(zhì)中的鋰離子轉(zhuǎn)移系數(shù)不可避免的呈梯度分布，尤其是高電流密度條件下（圖2）。持續(xù)快充至特定深度導(dǎo)致陽極鋰離子耗盡，而特定的倍率下，濃差極化會隨著電極厚度的增加而增大，這樣看來低活性物質(zhì)負(fù)載電極適用于XFC技術(shù)，但是這樣就跟目前動力電池提高活性物質(zhì)負(fù)載從而提高Pack能量密度的設(shè)計大相徑庭，解決這個問題的研究集中在工程電解液設(shè)計和提高電極內(nèi)結(jié)構(gòu)設(shè)計上。

Figure2快充過程電解質(zhì)物質(zhì)傳輸限制和可能的優(yōu)化策略：a，極速充電期間電解液中物質(zhì)傳遞的限制因素示意圖，鋰離子在電解質(zhì)和多孔電極中緩慢的擴(kuò)散速度及不一致的鋰離子轉(zhuǎn)移數(shù)導(dǎo)致歐姆極化和濃差極化大，活性物質(zhì)利用率降低，黑色和紅色的曲線分別代表薄電極和厚電極中鋰離子濃度的空間分布，厚電極中的濃差極化更大；b，離子電導(dǎo)率為10mS/cm和一系列離子遷移數(shù)下飽和SOC和相應(yīng)的倍率條件，該模型基于石墨陽極（厚度=91.8μm，孔隙率=0.25），LCO陰極（厚度=100μm，孔隙率=0.20）和隔膜（厚度=25μm，孔隙率=0.39）；c，液態(tài)電解液中鋰離子的遷移數(shù)可以通過添加溶解在極性非質(zhì)子溶劑中的鋰中和聚陰離子溶液改變，例如，聚（烯丙基縮水甘油醚-磺酸鋰）（具有側(cè)鏈磺酸鋰部分的短鏈聚醚）溶解在二甲基亞砜中表現(xiàn)出最大遷移數(shù)+0.98，離子電導(dǎo)率約為1mS/cm；d，電極干燥步驟可以使用磁場作用于具有超順磁性納米顆粒修飾的石墨片，用于降低電極迂曲度從而縮短鋰離子的擴(kuò)散路徑

提高電解液離子電導(dǎo)率：有研究表明添加20%的乙酸甲酯后離子電導(dǎo)率相對于基礎(chǔ)電解液提高50%，并且相應(yīng)的NMC523配石墨體系在2C電流密度條件下循環(huán)性能也更好。短鏈酯通常氧化穩(wěn)定性較差因此不利于SEI膜的形成。因此富脂電解液通常需要額外的添加成膜添加劑，考慮到XFC體系易過熱的問題，研究中出現(xiàn)的低沸點(diǎn)電解液就不利于安全，因此需要進(jìn)一步的研究。另外，高倍率條件下局部鋰鹽濃度不均勻，因此使用的多功能電解液需要具備在寬的濃度窗口下保持高離子電導(dǎo)率的能力。

提高電解液中鋰離子遷移數(shù)：典型的Newman模型強(qiáng)調(diào)溶液中離子遷移數(shù)的重要性，說明整體遷移數(shù)t+對倍率性能具有重要影響，圖2b是截止電壓前SOC作為不同鋰離子遷移數(shù)充電倍率的函數(shù)曲線，小電流密度下區(qū)別較小但是在高于2C的電流密度下能看到高離子遷移數(shù)的明顯優(yōu)勢。因此，提高在電解液中的可遷移鋰離子數(shù)量對于實(shí)際應(yīng)用具有重要的意義。實(shí)現(xiàn)這個要求的一個策略是采用大陰離子的鋰鹽，如雙(全氟喹諾酮)硼酸鋰(具有24個氟原子的巨大陰離子)。其他實(shí)例包括將陰離子錨定在納米顆粒上和利用“鹽包溶劑”這一理念,問題是Li+溶劑化并不完全,使用濃縮的醚基電解質(zhì)可實(shí)現(xiàn)高鋰離子遷移數(shù)(0.7323)。這些設(shè)計需要在導(dǎo)電率,遷移數(shù)和粘度之間達(dá)到精確的平衡。

固態(tài)電解質(zhì)的鋰鹽濃度通常比液態(tài)電解液要高，實(shí)際應(yīng)用要求固態(tài)電解質(zhì)為一層薄膜（小于25微米），但是在大部分固態(tài)電解質(zhì)的研究中采用的都是厚薄膜（大于100微米）。為了降低電解質(zhì)的厚度可采用雙層復(fù)合法，將單層無機(jī)固態(tài)電解質(zhì)沉積在聚合物基質(zhì)上，這樣不僅可以降低薄膜厚度使其具有柔性，同時也能提高離子電導(dǎo)率。

縮短鋰離子傳輸路徑：減少離子傳輸路徑的曲折度利于電解質(zhì)中Li+快速穿過多孔電極,這對于厚電極尤其重要。最近的一項(xiàng)研究通過在電極制造過程中施加磁場,成功地讓涂有超順磁性納米顆粒的石墨薄片垂直于集流體分布(圖2),其在2C高倍率條件下的比容量比隨機(jī)取向的石墨電極高出三倍，這種方法也可拓展到正極。傳統(tǒng)電池電極的離子傳輸本質(zhì)上仍是一維的，近些年有人提出將電池架構(gòu)擴(kuò)展到三維，理想的電極結(jié)構(gòu)應(yīng)由三維貫穿的電子和離子通道組成。

電池輕量化設(shè)計：解決電極厚度與倍率性能困境的有效方法是設(shè)計輕量化電池,較薄的電極可以滿足XFC而不會嚴(yán)重影響電池能量密度。這個想法很簡單,但在很大程度上被電池界忽視了。比如,銅集體占總電池重量的約10%,與銅(8.96g/cm3)相比,聚合物具有更低的密度(~1g/cm3)和極好的柔性,那么制備聚合物基底+銅集流體層的方式制備復(fù)合集流體來取代目前的純銅集流體可能是一個解決方案。

②電極電荷轉(zhuǎn)移的挑戰(zhàn)

石墨表面析鋰是快充過程容易發(fā)生的問題，石墨負(fù)極上的電荷轉(zhuǎn)移定義為Li+與電子相遇的過程,可分為以下步驟(圖3a)。1)Li+在SEI/電解質(zhì)界面處的去溶劑化;2)裸Li+通過SEI擴(kuò)散;3)負(fù)極/SEI界面處的電子接收和碳材料中的固態(tài)Li+擴(kuò)散。雖然Li+去溶劑化或擴(kuò)散是否是限制性步驟仍有爭議,這三個步驟對于倍率性能非常重要,以下逐一討論。

Figure3快充過程電極電荷轉(zhuǎn)移的限制因素和優(yōu)化策略：a，石墨陽極處電荷轉(zhuǎn)移的三個步驟；b，SEAG模型的細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)特征示意圖，這種結(jié)構(gòu)的制備是將鎳納米顆粒沉積在中間相碳微球上，然后在氫氣氣氛中煅燒催化活化石墨邊緣，隨后將石墨碳?xì)ず蜔o定形硅納米層沉積在表面；c，SEAG和石墨在不同倍率下的恒電流充電容量；d，SEAG和石墨電極的照片（7.7mA/cm2，50次循環(huán)后）；e，通過在多孔石墨電極中鍍鋰降低析鋰影響，比如可以采用石墨納米顆粒接種優(yōu)先形成金屬鋰核；f，電池早期的析鋰檢測對于安全性至關(guān)重要，可以通過結(jié)合在電池隔膜上的傳感層實(shí)現(xiàn)；g，其他陽極材料的比容量、體積比容量和鋰化能力

加速Li+去溶劑化：建議以電解質(zhì)添加劑的形式引入電荷離域物質(zhì),或者引入負(fù)極表面涂層,以降低Li+去溶劑化的能壘。例如,具有羧酸官能團(tuán)的聚合物粘合劑參與鋰在石墨表面的溶劑化競爭,有助于Li+與溶劑分子的解離;特殊陰離子也可能削弱Li+和溶劑的相互作用。

低電阻SEI：為了更合理地選擇添加劑,重要的是綜合考慮SEI的理化性質(zhì)與其離子電導(dǎo)率。促進(jìn)Li+通過SEI傳輸?shù)奶娲桨甘强赏ㄟ^預(yù)處理石墨表面制備人工SEI。例如,將液態(tài)聚醚(聚乙二醇叔辛基苯基醚,PEGPE)與聚烯丙基胺共混以形成多功能涂層,其中通過PEGPE與Li+的固態(tài)絡(luò)合可提供更多的傳輸途徑,并且其芳環(huán)可使π-π與石墨相互作用,形成很強(qiáng)的附著力,大大提高了充電能力。另外,石墨的倍率能力可以通過無定形碳涂層來改善,其各向同性允許Li+進(jìn)行三維傳輸。

增加活性位點(diǎn)：由于擴(kuò)散的特征時間(τ)與擴(kuò)散長度(L)的平方成正比(τ=L2/D),通過增加可及的反應(yīng)位點(diǎn)來縮短L對于XFC可能是有利的。例如,通過在活化石墨上涂覆非晶硅(a-Si)來制備可快充的負(fù)極材料(SEAG)。高面容SEAG電極(3.5mAh/cm2)表現(xiàn)出優(yōu)異的初始庫侖效率(93.8%)。SEAG/LCO全電池(3.4mAh/cm2)在高達(dá)7.7mA/cm2電流密度下循環(huán),50次后未顯示出析鋰現(xiàn)象。對于所有這些化學(xué)改性,重要的是在不顯著增加表面積的情況下活化石墨,否則會降低庫侖效率。另外,在抑制鋰枝晶和早期安全監(jiān)測、石墨負(fù)極的替代材料方面,作者也進(jìn)行了詳細(xì)講述。

③電池快充期間的熱輻射問題

低溫條件下，XFC的主要風(fēng)險在于析鋰。由于電解質(zhì)中的離子傳導(dǎo)和石墨表面的反應(yīng)都隨著溫度降低而減慢，目前大多數(shù)電動汽車都不支持低溫快速充電。高溫條件下，副反應(yīng)和電極降解加速，如果熱管理系統(tǒng)設(shè)計不當(dāng)，快速充電期間的電池溫度可能會達(dá)到濫用條件并引發(fā)熱失控，從而導(dǎo)致災(zāi)難性后果。

由于XFC和正常充電/放電模式下的電池發(fā)熱率極為不同，因此，通過先進(jìn)的被動或主動控制和機(jī)器學(xué)習(xí)，或許是實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的關(guān)鍵途徑。

Figure4快充過程電池?zé)彷椛浼坝绊懸蛩兀篴，疊片軟包電池在不同充電條件下自然對流時的外表面溫度；b，快充期間電池內(nèi)部溫升（T）較快且不均勻，熱量積累的示意圖；c，溫度和電流之間的正反饋，局部高溫促進(jìn)物質(zhì)轉(zhuǎn)移和反應(yīng)因此增加了局部電流，從而釋放出更多的熱量，進(jìn)一步提高了溫度；d-g，EV電池的熱管理系統(tǒng)，使用空氣冷卻（d），液體冷卻將熱量從電池輸送到環(huán)境空氣（e），液體冷卻與制冷劑循環(huán)接口進(jìn)一步降低液體冷卻劑溫度（f）和兩相制冷劑冷卻（g），傳熱系數(shù)大大提高。

④表征技術(shù)

先進(jìn)的表征技術(shù)，特別是具有高空間或時間分辨率的技術(shù)，可以批判性地將表征結(jié)果反饋到材料設(shè)計，并揭示XFC期間可能出現(xiàn)的新故障，這將有助于從根本上了解快速充電過程中電池的故障機(jī)制，從而為更合理的電池設(shè)計提供信息。由于電池內(nèi)的動態(tài)過程跨越多個長度和時間尺度，因此往往需要不同技術(shù)的組合。同步輻射具有良好的穿透深度和高亮度，可以在微尺度（電極和顆粒水平）對工作期間的電池進(jìn)行無損表征。冷凍電鏡非原位高分辨率成像，則為電池材料提供了納米級和原子級的關(guān)鍵信息，對基礎(chǔ)研究和電池設(shè)計提供了重要的信息。

Figure5先進(jìn)的表征技術(shù)，從根本上了解快速充電過程中的電池故障機(jī)制：a，原位X射線技術(shù)可用于研究扣點(diǎn)在重復(fù)XFC循環(huán)中的結(jié)構(gòu)和組成演變；b，使用掃描透射X射線顯微鏡來表征充電期間的電極例子，在脫鋰期間單個LFP顆粒上的Li組成變化圖示；c，采用冷凍切片技術(shù)研究循環(huán)后的電極；d，e，關(guān)于SEI微觀結(jié)構(gòu)的低溫-EM研究的例子；d，Li金屬表面SEI的原子分辨率圖；e，觀察到的鑲嵌型SEI示意圖

【總結(jié)與展望】

極速快充目標(biāo)是充電時間為15分鐘，能夠刺激汽車市場對新能源汽車的接受程度，抑制溫室氣體排放，為各國提供更有效的能源安全保障。為了實(shí)現(xiàn)這樣的目標(biāo)需要跨學(xué)科多層次的研究和開發(fā)，電池技術(shù)是一個難點(diǎn)也是關(guān)鍵。目前的高能量密度鋰離子電池，多采用石墨陽極和過渡金屬氧化物陰極和液態(tài)電解質(zhì)，想要在不改變電化學(xué)性能和安全性的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)快充是不可能的。因此，這里討論了快充的挑戰(zhàn)和未來發(fā)展方向，包括電荷轉(zhuǎn)移及熱管理等相關(guān)內(nèi)容，從電池性能要求出發(fā)提出電極設(shè)計的優(yōu)化方案，希望實(shí)現(xiàn)更合理的電池設(shè)計，從而滿足大眾的應(yīng)用需求。