6C/−10°C快充性能提升500%！最新研究突破低温快充电池技术
6C/−10°C快充性能提升500%！最新研究突破低温快充电池技术
解决锂离子电池在快充、低温循环和高能量密度电极之间的“三难困境”对于推动其发展至关重要。美国密歇根大学研究团队提出了一种通过将3D电极架构与人工固体电解质界面（SEI）相结合的策略，利用原子层沉积技术（ALD）构建固态电解质（Li3BO3-Li2CO3）。这种协同改性在低温和快速充电条件下显著提升了厚电极（>3 mAh/cm2）的质量传输和界面动力学，从而提高了可用电量。
研究背景
尽管锂离子电池（LIBs）在能量密度和成本方面取得了进展，但在快速充电和低温条件下仍面临挑战。为了提高能量密度，电极厚度增加，导致与快速充电能力的权衡。低温下，电池极化加剧，需要辅助加热系统，这在便携式应用中不可行。研究表明，快速充电和低温运行期间，石墨负极表面的锂析出是容量衰减和安全隐患的主要来源。
研究方法
为了制备高能量密度的软包电池（堆叠比能量密度为228 Wh/kg），制备了面积容量为3.2 mAh/cm2、孔隙率约为32%的石墨电极。随后，将石墨电极转移进行激光图案化，以制备HOLE负极和/或通过原子层沉积（ALD）沉积LBCO（图2）。对于集成的LBCO-HOLE负极，激光图案化在ALD之前进行，以确保3D结构的完全包覆。
实验结果
电池首先在30℃下进行循环测试，以比较四种不同负极配置的电化学性能：对照组、HOLE、LBCO和LBCO-HOLE。在1C倍率下，所有电池的性能相似，表明在这些较慢的充电条件下，它们并未受到显著限制（图4A）。然而，在4C和6C的快速充电条件下，对照组电池在初始循环中经历了显著的容量衰减，随后才达到更稳定的老化状态（图4C和4E）。
当循环温度降至-10℃时，质量传输和界面现象对锂析出的影响进一步加剧。未涂层（对照组和HOLE）的石墨电池在1C充电的前几个循环内开始出现容量衰减，这与库仑效率（CE）的显著下降有关（图7A和7B）。这些趋势在更高的倍率（4C和6C）下也是一致的，对照组和HOLE电池的放电容量在前10次循环内降至50%以下。经过100次循环后，未涂层电池在4C倍率下的容量保持率约为35%，在6C倍率下约为32%。
相比之下，LBCO涂层电池在-10℃下经过100个循环的1C、4C和6C充电后，保持了超过90%的原始容量，且未观察到明显的库仑效率下降（图7C-F）。LBCO-HOLE电池在4C倍率下经过100次循环后的容量保持率为92.2%，在6C倍率下为97.1%。
结论展望
本研究通过人工固体电解质界面（SEI）涂层和3D电极架构的协同效应，解决了锂离子电池在快速充电、低温运行和高能量密度电极之间的“三难困境”。研究采用具有工业相关性的软包电池形式（>3 mAh/cm2的石墨负极软包电池），通过对比四种不同的负极配置（对照组、HOLE、LBCO和LBCO-HOLE），量化了低温、快速充电条件下界面阻抗和质量传输的相对重要性。
实验结果表明，在-10°C和6C倍率下，LBCO-HOLE处理的电极在100次循环后容量保持率超过97%，且未发生锂析出。相比之下，未涂层的对照组和HOLE负极在初始快速充电循环后容量急剧下降至50%以下，且由于锂析出导致性能恶化。此外，LBCO-HOLE电极在-10°C下实现了超过400%（4C）和500%（6C）的倍率能力提升。
本研究证明，降低电荷转移阻抗是防止低温下锂析出的关键，而低迂曲度的3D电极架构则进一步助力低温下的极速充电（4C-6C）。该研究为低温条件下锂离子电池的快速充电提供了新的思路，有望在无需外部加热的情况下实现快速充电，节省时间和能量。
本文原文来自能源学人