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充电5分钟 行驶1000公里——快充锂离子电池研究取得进展

北极星储能网  来源:新能源Leader  作者:凭栏眺  2017/10/9 10:37:18  我要投稿  

北极星储能网讯: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。

TuoWang还利用上述的半电池进行了循环测试,在2.5mA/cm2的电流密度下循环505次,电池的平均库伦效率达到99%,从下图a中可以看到在经过了150次循环后,电池的库伦效率变的更加稳定,这主要是因为材料中的一些引起副反应的物质逐步消耗,以及SEI膜的逐渐稳定。

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