記者從中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲悉，該校俞書宏院士團(tuán)隊與合作者合作，開發(fā)了一種無聚合物-粘結(jié)劑的漿液制備石墨負(fù)極的路線，可以普適地在石墨負(fù)極中構(gòu)建一種新型粒徑-孔隙度雙梯度結(jié)構(gòu)，大幅度提升了鋰離子電池的快充性能。相關(guān)成果日前發(fā)表在國際期刊《科學(xué)進(jìn)展》上。

 

       電動汽車的快速充電能力受限于鋰離子電池中石墨負(fù)極高的濃差極化效應(yīng)和低的平衡電位，其在較高的充電倍率下，容易誘發(fā)金屬鋰沉積和枝晶生長，導(dǎo)致電池性能衰減并出現(xiàn)安全問題。多孔石墨顆粒、石墨負(fù)極界面改性以及定向排列石墨顆粒等策略一直用以改善石墨負(fù)極的快充性能。然而，這些石墨負(fù)極的設(shè)計策略往往以犧牲所制備電池的能量密度為代價來提升快充性能。如何克服鋰離子電池的高能量密度與快速充電性能之間的矛盾仍然是一個挑戰(zhàn)性的問題。

       研究團(tuán)隊首先采用顆粒級尺度的理論模型，采用迭代設(shè)計方法仿真對石墨負(fù)極電極結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。同時對顆粒大小和電極孔隙度的雙重分布進(jìn)行了優(yōu)化，模擬計算結(jié)果表明，雙梯度分布電極相對于傳統(tǒng)的隨機(jī)電極以及單梯度電極，電極內(nèi)部電解液中鋰離子濃度分布更為平滑，從而表現(xiàn)出更小的濃差極化以及更高的活性材料利用率，展現(xiàn)出優(yōu)異的快充性能。研究人員進(jìn)一步開發(fā)了一種低粘度無聚合物粘結(jié)劑漿料自組裝技術(shù)，制備銅納米線和銅顆粒包覆石墨低粘度乙醇漿料，利用不同尺寸顆粒石墨在漿料中沉降速度差異性，在石墨負(fù)極中成功構(gòu)建出模擬計算優(yōu)化的雙梯度結(jié)構(gòu)，基于該石墨負(fù)極所制備的鋰離子全電池展現(xiàn)出與實驗?zāi)Ｐ拖嗤�的�?yōu)異快充性能。

 

       這項研究提出了在不犧牲鋰離子電池能量密度的前提下，在石墨負(fù)極內(nèi)部引入顆粒尺寸以及孔隙率的梯度異質(zhì)分布結(jié)構(gòu)設(shè)計，實現(xiàn)了石墨負(fù)極快充性能提升。（中國科大供圖）