為縮短電動汽車充電時間，科學(xué)家們一直在積極尋找新方法。近日，我國科學(xué)技術(shù)大學(xué)俞書宏院士團(tuán)隊(duì)和姚宏斌、倪勇教授團(tuán)隊(duì)合作，致力于解決鋰電池高能量密度和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(fù)極材料，實(shí)現(xiàn)了鋰電池在6分鐘內(nèi)充電60%。相關(guān)成果近日發(fā)表于《科學(xué)進(jìn)展》。

高能量密度和快充性能是一對矛盾

當(dāng)前，鋰電池驅(qū)動的電動汽車因其節(jié)能、環(huán)保受到人們青睞。然而，電動汽車的充電時間遠(yuǎn)長于傳統(tǒng)燃油汽車的加油時間，大大降低了使用體驗(yàn)感。

"這重要是因?yàn)殇囯姵刂惺?fù)極較差的倍率性能，限制了電動汽車的快速充電能力。"論文共同第一作者、我國科學(xué)技術(shù)大學(xué)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心特任副研究員盧磊磊向《我國科學(xué)報(bào)》解釋。

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質(zhì)量/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。理想狀態(tài)下，這兩項(xiàng)參數(shù)越高，鋰電池性能越好。然而，高能量密度和快充性能是一對矛盾，是一個"此起彼伏"的過程。

盧磊磊說，"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(fù)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。"盧磊磊坦言。

有沒有一種解決方法，能夠?qū)崿F(xiàn)高能量密度和快充性能"魚和熊掌"的兼得？俞書宏團(tuán)隊(duì)決定從設(shè)計(jì)電極結(jié)構(gòu)入手，在保證能量密度的情況下提升鋰電池的快充性能。

給石墨顆粒"排隊(duì)"加快充電速度

研究團(tuán)隊(duì)首先構(gòu)建了一種新型粒子級理論模型，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(fù)極的快充性能。

盧磊磊介紹，傳統(tǒng)的二維模型通常簡化顆粒為均質(zhì)球形以及孔隙均勻分布。事實(shí)上，石墨顆粒多是大小不一、形狀不同，通常以相當(dāng)隨機(jī)的順序排列。同時孔的形狀和大小也非均勻分布。

而新型粒子級理論模型是基于真實(shí)的石墨顆粒構(gòu)建出的三維模型，和現(xiàn)實(shí)的電極結(jié)構(gòu)很接近。

在粒子級理論模型中，研究人員按照石墨顆粒大小的順序重新"排隊(duì)"，同時調(diào)整電極孔隙率大小分布。具體表現(xiàn)為，越接近電池頂部的石墨顆粒更小，孔隙率更高，越接近底部顆粒更大，孔隙率更低。

"我們將這種結(jié)構(gòu)稱之為雙梯度電極。"盧磊磊說，模擬計(jì)算結(jié)果表明，在大電流密度充電條件下，這種新結(jié)構(gòu)相有關(guān)傳統(tǒng)的隨機(jī)均質(zhì)電極以及單梯度電極，展現(xiàn)出了優(yōu)異的快充性能。

理想的結(jié)構(gòu)模型已找到，接下來就是如何在電極中實(shí)現(xiàn)。

傳統(tǒng)的電極制備方法中，由于漿料黏度很高，制備的石墨漿料穩(wěn)定，不易發(fā)生沉降。因此制備出的電極，包括石墨顆粒大小和孔隙率大小通常都是均勻分布。盧磊磊說，"就像速溶奶粉，取任何一部分都是均質(zhì)的。"

如何構(gòu)筑一種"異質(zhì)"結(jié)構(gòu)？研究團(tuán)隊(duì)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(fù)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(jì)算優(yōu)化的雙梯度結(jié)構(gòu)，得到電極。

研究人員發(fā)現(xiàn)，基于這種新型雙梯度石墨負(fù)極材料制備出的鋰電池分別在5.6分鐘和11.4分鐘從零充電到60%和80%，同時保持高能量密度。

6分鐘快充技術(shù)離產(chǎn)業(yè)化有多遠(yuǎn)？

那完成100%充電要多長時間？

"其實(shí)，這是一個誤區(qū)。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。"盧磊磊說，比如電動汽車制造商通常建議將車輛充電至80%，以保持電池壽命。

談到這項(xiàng)研究的最大亮點(diǎn)，盧磊磊認(rèn)為，"就是完成了一個假設(shè)、理論模型建立到實(shí)驗(yàn)再驗(yàn)證的過程，為克服鋰電池的高能量密度和快充性能之間的矛盾供應(yīng)了新的思路。"

"距離產(chǎn)業(yè)化還有一定距離。"盧磊磊坦言，比如目前實(shí)驗(yàn)室的制備方法很難實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，雙梯度結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)很難保持電極的一致性。

"目前，團(tuán)隊(duì)正逐步解決這些問題。希望有朝一日這種更高效的電池可以為電動汽車供應(yīng)動力。"盧磊磊說。

"這種電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)給解決快充供應(yīng)了新思路，建議在大電池中應(yīng)用進(jìn)一步評價其性能，同時比較關(guān)注電極制備成本。"一位審稿人如是說。