【化工機械設備網(wǎng) 技術(shù)前沿】據(jù)工信部發(fā)布的《2021中國鋰電產(chǎn)業(yè)發(fā)展指數(shù)白皮書》顯示，我國已連續(xù)五年成為全球最大的鋰電池消費市場。2021年，全球鋰離子電池市場規(guī)模達到545GWh，其中，中國鋰離子電池市場規(guī)模約324GWh，約占全球市場的59.4%。從汽車到電子產(chǎn)品，鋰離子電池早已滲透到人們生活，為衣食住行提供“動力”。其中，鋰離子電池驅(qū)動的電動汽車因其節(jié)能、環(huán)保受到人們青睞。
然而，電動汽車鋰離子電池中石墨負極較差的倍率性能，限制了電動汽車的快速充電能力，其充電時間長于傳統(tǒng)燃油汽車的加油時間，使用體驗感并未達到預期。
近日，中國科學技術(shù)大學俞書宏院士團隊與姚宏斌、倪勇教授團隊合作，解決了鋰離子電池高能量密度與快充性能之間的矛盾，提出并制備出一種新型雙梯度石墨負極材料，實現(xiàn)了鋰離子電池在6分鐘內(nèi)充電 60%，提升鋰離子汽車的充電速度。該項成果近日發(fā)表于《科學進展》。
如何在保證電池體積不變的情況下，縮短充電時間？研究團隊決定從設計電極結(jié)構(gòu)入手，在保證能量密度的情況下提升鋰離子電池的快充性能。
據(jù)介紹，能量密度、功率密度是評價電池系統(tǒng)的兩個重要參數(shù)。能量密度決定著單位體積下可以儲存的能量大小，而功率密度則決定著電池充放的倍率。這兩項參數(shù)越高，鋰離子電池性能越好。
然而，高能量密度通常意味著電池單體活性物質(zhì)載量比較高，電極比較厚，從而具有較長的鋰離子傳輸路徑，限制充放電倍率。因此，為提高石墨負極的倍率性能，傳統(tǒng)的策略通常是將石墨電極做到多孔或變薄。但是，這些方法往往就會犧牲所制備電池的能量密度。
首先需要構(gòu)建新型適用模型。研究團隊重新構(gòu)建了一種新型粒子級理論模型，即雙梯度電極，用于同時優(yōu)化電極結(jié)構(gòu)中粒度分布和電極孔隙率分布兩個參數(shù)，提高石墨負極的快充性能。下一步則是將模型轉(zhuǎn)移到電極中。研究團隊開發(fā)了一種低粘度無聚合物粘結(jié)劑漿料自組裝技術(shù)，混合銅包覆的石墨負極顆粒以及銅納米線于乙醇溶液中制成漿料，利用不同尺寸顆粒石墨在漿料中沉降速度差異性，成功構(gòu)建出模擬計算優(yōu)化的雙梯度結(jié)構(gòu)，得到電極。
需要注意的是，電池并沒有完成100%充電的概念。通常評價電池快充性能都是考量充電到60%或者80%容量時間。對電動汽車來說，充電至80%即可保持電池壽命。但目前，該項技術(shù)距離產(chǎn)業(yè)化還有一定距離，實驗室的制備方法較難實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，雙梯度結(jié)構(gòu)的設計很難保持電極的一致性等等。
該項研究為克服鋰離子電池的高能量密度和快充性能之間的矛盾提供了新的思路，同時關(guān)注了電極制備成本。更重要的是該項技術(shù)將節(jié)省鋰離子電池充電時間，提高電動汽車充電效率，讓人們將注意力從燃油汽車轉(zhuǎn)移到鋰離子等清潔電動汽車上來，增加鋰離子電動汽車購買量，助力實現(xiàn)“雙碳”目標。
(資料來源：科技日報、工信部等)
原標題：新材料支持電動汽車“快充” 或?qū)⒗瓌与妱悠囦N購量
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