電化學知識

以(yǐ)锂離子(zǐ)電池作爲(wéi / wèi)動力的(de)電動車的(de)充電時(shí)間，極大(dà)的(de)限制了(le／liǎo)電動車的(de)發展。因此，寄希望于(yú)極速快充（XFC）能夠在(zài)10-15分鍾内實現充電0-80% SOC。由于(yú)離子(zǐ)傳輸的(de)限制和(hé / huò)析锂的(de)風險，這(zhè)對目前采用石墨（Gr）基負極和(hé / huò)過渡金屬氧化物正極的(de)锂離子(zǐ)電池（LIBs）提出(chū)了(le／liǎo)巨大(dà)的(de)挑戰。通常認爲(wéi / wèi)，充電過程涉及正負極材料或電解質中的(de)離子(zǐ)傳輸，和(hé / huò)固液界面的(de)電荷傳輸。同時(shí)大(dà)量的(de)文獻認爲(wéi / wèi)，離子(zǐ)在(zài)充滿電解質的(de)電極孔隙或電極顆粒内部的(de)擴散是(shì)快速充電過程中的(de)限速步驟，特别是(shì)在(zài)較高負載（>3 mAh cm-2）的(de)高比能量锂離子(zǐ)電池。但難以(yǐ)直接觀測界面結構和(hé / huò)離子(zǐ)傳輸機制，因此很難監測跨越電極-電解質界面的(de)電荷轉移。

基于(yú)以(yǐ)上(shàng)問題，清華大(dà)學張強教授團隊，采用紐扣電池三電極體系，利用輸力強1470E/1455輔助分壓，進行了(le／liǎo)動态EIS及同步正負極阻抗監測，結果表明，快速的(de)電荷轉移速率對于(yú)實現不(bù)同尺寸材料的(de)高比能量非常重要(yào / yāo)，這(zhè)使得對之(zhī)前傳質過程是(shì)快充主要(yào / yāo)速率限制的(de)假設産生了(le／liǎo)新的(de)認識。

Fig 1 . 紐扣電池中的(de)三電極示意圖

A) 锂參比電極是(shì)通過在(zài)銅線尖端附加一(yī / yì ／yí)小片锂箔制成的(de)

B) 紐扣三電極由工作電極，Li參比電極，兩層隔膜，

锂片做對電極構成三明治結構

Fig 2 動态EIS用于(yú)研究電極界面動力學

A) 動态交流阻抗(DEIS)的(de)電壓和(hé / huò)電流曲線

B) 由DEIS獲得的(de)典型Nyquist曲線，

石墨負極對參比和(hé / huò)NCA正極對參比，

等效電路分别進行拟合

Fig3 NAC正極在(zài)充電過程中不(bù)同SoC下的(de)NCA曲線。

直流電流爲(wéi / wèi)0.3C，GEIS電流擾動爲(wéi / wèi)0.03C

然而(ér)，除了(le／liǎo)以(yǐ)前專注于(yú)單電極的(de)研究，圍繞着界面電荷轉移是(shì)否決定了(le／liǎo)锂離子(zǐ)全電池的(de)快速充電能力，如果是(shì)限制步驟，那是(shì)如何限制的(de)，仍然然存在(zài)很大(dà)争議。因此，三電極動态EIS提供了(le／liǎo)一(yī / yì ／yí)種有效的(de)思路。

Fig 4 石墨負極在(zài)充電過程中不(bù)同SoC下，

動态GEIS測試 DC電流0.25 C ，交流振幅爲(wéi / wèi)0.025 C.

結論

使用動态交流阻抗(DEIS)對三電極中正負極電荷轉移動力學進行了(le／liǎo)量化，不(bù)同于(yú)傳統穩态EIS, DEIS結合三電極可以(yǐ)獨立提取電池中正極或者負極的(de)反應動力學。此外，在(zài)不(bù)同的(de)電解質條件下，EC/DMC LiPF6(20.6 Ohm)與 EC/DMC LiTFSI （9.3Ohm）相比，NCA在(zài)不(bù)同的(de)SoC下Rct減半。通過改進的(de)電解質，FEC/DMC LiPF6，加速了(le／liǎo)锂離子(zǐ)的(de)去溶劑化，在(zài)快充條件下表現出(chū)更小的(de)極化。

參考文獻

1. Unlocking Charge Transfer Limitations for Extreme Fast Charging of Li-Ion Batteries, Angewandte Chemie International Edition

( IF 16.823 ) Pub Date : 2022-11-16 , DOI: 10.1002/anie.202214828, Yu-Xing Yao, Xiang Chen, Nan Yao, Jin-Hui Gao, Gang Xu, Jun-Fan Ding, Chun-Liang Song, Wen-Long Cai, Chong Yan, Qiang Zhang