高能鋰離子電池的極端快速充電（XFC）是電氣化交通的關(guān)鍵推動(dòng)因素。為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，以前的研究主要集中在改善鋰離子在電極和電解液中的質(zhì)量傳輸，但電極-電解質(zhì)界面間電荷轉(zhuǎn)移的局限性仍未得到充分探索。

在此，清華大學(xué)張強(qiáng)教授、北京理工大學(xué)閆崇副教授等人闡明了電荷轉(zhuǎn)移動(dòng)力學(xué)如何決定鋰離子電池的快速充電能力。之前普遍的觀點(diǎn)是，電解液中的質(zhì)量傳輸構(gòu)成了電池XFC的主要障礙。

作者通過證明即使對(duì)于厚電極（>3 mAh cm^-2），電極-電解質(zhì)界面處的電荷轉(zhuǎn)移也可以限制倍率，從而重塑了這種看法。即使電解液的離子電導(dǎo)率下降40%，提高電荷轉(zhuǎn)移動(dòng)力學(xué)也能實(shí)現(xiàn)更好的XFC性能。

作者通過用LiTFSI代替LiPF₆加快了正極-電解質(zhì)界面的電荷轉(zhuǎn)移，再次證實(shí)其是XFC期間的倍率限制。具有快速去溶劑化動(dòng)力學(xué)的基于FEC的電解液促進(jìn)了負(fù)極-電解質(zhì)界面的電荷轉(zhuǎn)移，這是控制鋰電鍍的關(guān)鍵因素。更重要的是，必須保持這兩個(gè)反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)平衡。

圖1. 量化電荷轉(zhuǎn)移動(dòng)力學(xué)及其電化學(xué)效應(yīng)

研究表明，這種平衡的本質(zhì)是在XFC期間從正極快速輸出鋰離子和向負(fù)極快速輸入鋰離子之間的平衡，這兩個(gè)過程的不匹配可能導(dǎo)致災(zāi)難性的鋰電鍍和短循環(huán)壽命。

基于這些見解，作者設(shè)計(jì)了一種概念驗(yàn)證電解液，使184 Wh kg^-1的軟包電池XFC（10分鐘充電至80%）在500次循環(huán)后能量密度僅損失5.2%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過美國(guó)能源部的目標(biāo)。

通過解鎖電荷轉(zhuǎn)移限制，245 Wh kg^-1的高能21700原型電池在快速充電（25分鐘充電至80%，61分鐘內(nèi)充滿電）期間的壽命比商用技術(shù)延長(zhǎng)了5倍。

值得一提的是，這種概念驗(yàn)證電解液沒有優(yōu)化的離子電導(dǎo)率或任何功能性添加劑，進(jìn)一步的電解質(zhì)工程結(jié)合減少的電極曲折度有望再次提升電池的XFC性能。

因此，目前的工作為開發(fā)充電時(shí)間更短的下一代電池鋪平了道路，這在運(yùn)輸、便攜式電子產(chǎn)品和儲(chǔ)能應(yīng)用中極具前景。

圖2. 設(shè)計(jì)極端快速充電的鋰離子電池

Unlocking Charge Transfer Limitations for Extreme Fast Charging of Li-Ion Batteries, Angewandte Chemie International Edition 2022. DOI: 10.1002/anie.202214828