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锂电快充负极材料全面解读

2023-01-13 来源:OFweek锂电网 浏览数:1

最近一段时间,维科网锂电已经相继推出3篇关于锂电快充的文章,感兴趣的读者可以在公众号中搜索并再次阅读,分别是《锂离子电池快充问题,这篇文章总结全了!》、《快充技术也许是实现车辆全面电动化的关键》、《固态电池快充问题到底如何解决?》。今天,我们再次通过专业性的论文讨论快充问题,不过这次的主题是锂离子电池快充负极材料

研究背景

随着国家双碳政策的推出以及锂电技术的快速发展,以锂离子电池(LIB)为动力的电动汽车EV)和插电式混合动力汽车(PHEV)等备受关注,并呈现爆发式增长的趋势。下图是2012-2021年全球电动汽车销量及发展趋势

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图片来源:Advanced Functional Materials

尽管在续航里程降低成本方面取得了快速发展,但目前电动汽车消费者接受度和市场渗透率还不是很高其中一个主要原因是电动汽车充电时间长。此外,由于电池能量密度短期内难以大幅提升,发展具有快充能力的锂离子电池成为进一步推动电动汽车市场化的有效手段

常用的石墨具有较差的电化学动力学和较低的工作电位(0.1 V vs Li/Li+),在高充电率(1C)下会出现严重问题,例如机械裂纹、电解质副反应、阳极极化导致锂和发热现象从而导致性能下降和安全问题因此,设计快充锂离子电池的关键挑战之一是构建高倍率和优异安全性的负极材料。

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快充锂离子电池的主要挑战(图片来源:Advanced Functional Materials

工作简介

本篇综述,作者从三个方面总结了锂离子电池快充负极材料的现状。首先介绍了LIBs快充负极的关键影响因素,为锂离子电池快充设计提供了指导。其次,详细回顾了快充负极材料的研究现状和最新进展。具体来说,总结了各种快充负极材料的内在结构、储锂机制以及进一步提高倍率性能的策略。最后,讨论了快充负极材料的巨大挑战和未来发展方向。

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图片来源:Advanced Functional Materials

内容详情

快充负极材料的影响因素

锂离子电池在充电过程中的7个过程:1. Li+在层状氧化物正极中的扩散;2. Li+通过正极/电解质界面(CEI)扩散;3.  Li+CEI/电解质界面被溶剂化;4. 溶剂化Li+在电解质中扩散,; 5. Li+在电解质/AEI(负极/电解质界面)界面处去溶剂;6. Li+穿过AEI进入石墨内部;7. Li+在石墨中的扩散,伴随着石墨晶格重排。

快充的限制因素一般分为两个方面:一质量传递,包括Li+在电解质和电极材料中的传;另一种是电荷转移,涉及Li+的溶剂化/去溶剂化以及Li+CEI 和 AEI 扩散。

负极侧,确保锂离子在负极中的快速扩散和降低负极/电解质界面动力学势垒是实现快充的关键挑战。如果Li+传输动力学不能满足快速充电的要求,极上的极化会导致锂,从而降低循环寿命,甚至出现安全问题。

Li+和电子在固体电极和界面中的迁移速率很大程度上取决于电极和界面的电子和离子电导率。因此,提高电子电导率和离子电导率以及促进锂离子在/电解质的SEI层中的传输是尤为关键。

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根据文献总结的各种快充负极材料的电导率和Li+扩散系数(图片来源:Advanced Functional Materials

快充负极材料

根据储能机理,快充负极材料可分为插层型、转型和合金型三种。插层材料主要包括碳材料(如石墨)、插层过渡金属氧化物(如Ti基氧化物、Nb基氧化物等)转化型材料在充放电过程中会发生可逆的氧化还原反应,涉及过渡金属(FeCoNiMnMoVCu)氧化物和部分过渡金属(MoFeWV)二硫化物。合金类材料主要包含位于IVAVA族的金属(SnSbBi 等)和半金属(SiGe 和 P),它们可以与锂离子合金化以提供比传统碳材料更高的比容量。

此外,一些快充的负极材料具有不止一种电荷存储机制。例如,软/硬碳在充放电过程中经历Li+嵌入、微孔填充和表面吸附过程,而一些过渡金属二硫化物(如SnS2)在充放电过程中经历两步转化和合金化过程。

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元素周期表中构成快充负极材料的元素(图片来源:Advanced Functional Materials

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快充负极材料的相关结构(图片来源:Advanced Functional Materials

论文的该部分是按照上图的分类对已报道的文献进行了综述,在此不再具体呈现,感兴趣的读者可点击文末链接下载阅读原文。

总结与展望

本文作者总结了锂离子电池快充负极的现状,重点介绍了促进各种负极材料锂离子扩散动力学的策略,如结构设计、形貌调控、表/界面改性以及形成多相体系。下图对各种快充负极材料进行了性能对比,涉及快充能力、循环寿命、比容量、安全性成本以及工作电压。

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图片来源:Advanced Functional Materials

在推动快充负极材料的开发方面已经取得了许多实质性进展。然而,仍有许多问题和障碍需要解决,如:开发具有快速动力学的新型负极材料、材料合成方法、SEI的改善、快充负极机理的深入探究、安全性、电极结构和电池装置的改进。

附:

参考文献

Li S, Wang K, Zhang G, et al. Fast Charging Anode Materials for Lithium‐Ion Batteries: Current Status and Perspectives[J]. Advanced Functional Materials, 2022: 2200796.

文献链接

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/adfm.202200796

 

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