充电5分钟行驶1000公里——快充锂离子电池研究取得进展

2017-10-09 15:10:55 新能源Leader 　点击量：评论 (0)

在过去的这个国庆假期期间，笔者驾车出游，在高速服务区惊喜的发现已经开始出现充电桩了，这表明随着电动汽车的日渐普及，相关的配套设施也开始逐步增加，这对于提高电动汽车的便利性而言具有重要的意义。提到电

在过去的这个国庆假期期间，笔者驾车出游，在高速服务区惊喜的发现已经开始出现充电桩了，这表明随着电动汽车的日渐普及，相关的配套设施也开始逐步增加，这对于提高电动汽车的便利性而言具有重要的意义。提到电动汽车大家首先想到的可能是充电不方便，特别是在长途行驶的过程中，在偏远地区可能数百公里都没有充电设施，这对于电动汽车而言确实是一个非常大的挑战。的确，现阶段由于相关基础设施建设步伐还没有跟上，因此电动汽车的充电确实还面临着一些问题，但是笔者相信随着国家对相关领域投资力度的加大，电动汽车最终会像燃油车一样方便。

随着充电桩数量问题得到解决，我们还需要克服电动车充电时间长的问题，燃油车在加油站加油时间一般在5分钟左右，而电动汽车充电时间动辄一两个小时，短的也要40分钟，这也造成了电动汽车长途旅行非常不方便，解决这一问题就需要动力电池工程师从技术层面提出解决方案。近日美国莱斯大学的TuoWang等人发明了一种由沥青为原材料制成的多孔碳材料作为金属Li的载体，由于多孔碳材料巨大的比表面积（>3000m2／g），从而使得该材料具有优异的倍率性能，在5A/gLi（1.3C）和40A/gLi的电流密度下，其库伦效率可达96%以上。由该材料作为负极的全电池功率密度可达1322W/kg，能量密度可达943Wh/kg，具有非常好的应用前景。

金属锂负极带来的高能量密度的同时，也会带来锂枝晶的问题，解决金属锂枝晶的方法主要有两种：1）形成更加稳定SEI膜；2）将金属Li沉积其他载体上。TuoWang在这里采用的就是第二种方法，一般而言金属Li载体主要有石墨烯、氧化还原石墨烯和铜纳米线网、中空碳纳米球等结构，但是这些结构一般都成本高昂或者工艺复杂，因此难以在实际中应用，而TuoWang利用沥青材料制备的多孔碳材料Asp不仅具有非常高的比表面积，还具有非常低廉的成本和简单的制备工艺，非常适合作为金属Li的载体。

为了制备多孔碳材料首先需要将沥青在400℃下进行高温处理，除去其内部所含有的石油成分，然后利用KOH对其进行活化，从而在其表面产生大量的孔洞，从而显著的提高材料的比表面积（详细的制备过程可以参考原文）。由于上述工艺制备的多孔碳材料由于比表面积大，因此金属锂会沉积在其表面形成镀层，而不是行程金属Li枝晶。

将上述材料制备的Asp-GNRs材料添加导电性更好的石墨烯纳米带GNRs，然后涂布在铜箔的表面，然后组装成半电池，通过控制沉积时间，将Li：C控制在1:5左右，半电池的充放电库伦效率如下图a所示，可以看到Asp-GNRs材料的库伦非常高，从1.3C到10.4C库伦效率都在95.4%以上。从图b和图c可以看到，无论是在2.6C还是在10.4C下，Asp-GNRs材料的极化都要明显低于裸露的铜箔。SEM图像也显示，在2.6C倍率下长期循环（30次）后，金属Li仍然能够在其表面均匀的形成镀层，而没有形成枝晶。TuoWang认为这主要是因为在多孔碳Asp-GNRs表面含有较多的含氧官能团，从而保证材料和电解液界面具有很好的润湿性，从而使得其巨大的比表面积都能够参与到Li的沉积中，从而降低电流密度，减小电极极化。