多孔集流體設計實現(xiàn)高倍率高能電池

文章背景目前雖然可以通過使用厚電極實現(xiàn)電動汽車超過300英里的續(xù)航里程，但充電時間長的問題仍然是一個重大挑戰(zhàn)。因此，極快的充電已成為最受歡迎的電池性能之一，從而消除“里程焦慮”。然而，這要求電池在小于15分鐘的時間內從0%達到80%的充電狀態(tài)（SOC）。研究表明，擴散限制是阻礙電池倍率性能的一個關鍵因素。多孔電極內有效Li+通路的長度起著關鍵作用，并且隨著面積負載的增加而增加。目前研究工作者已經提出了若干策略來解決擴散問題。減薄電極是提高倍率能力的主要手段，但它以降低電池的能量密度為代價。此外，如加速離子傳導的電解質設計、增強Li+傳輸?shù)臒嵴{制、縮短電極中路徑長度的曲折度減少等均已被用于促進電池中的Li+傳輸。然而，這些策略在電化學或熱穩(wěn)定性以及能量密度方面需要取舍。因此，實現(xiàn)高倍率性能的高能電池仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)。內容簡介在此項工作中，作者概念化了一種用于高能和快充電池的多孔集流體。這種多孔設計允許Li+離子同時通過集流體和隔膜，從而將有效的Li+傳輸距離減少一半，并使受擴散限制的倍率能力提高四倍，而不影響能量密度。配備該集流體的多層軟包電池表現(xiàn)出較高的比能量（276Whkg-1）和突出的快速充電能力（4C（充電15分鐘，從0到78.3%SOC），6C（充電10分鐘，從0到70.5%SOC）和10C（充電6分鐘，從0到54.3%SOC））。這種多孔集流體設計與現(xiàn)有的電池制造工藝和其他快速充電策略兼容，豐富了下一代電池的設計。主要內容圖1電池中PCC的設計原理（PCC:多孔集流體;TCC:傳統(tǒng)集流體）。a，b，具有TCC（a）和PCC（b）的多層軟包電池。在TCC的情況下，電極之間的Li+傳輸僅限于通過隔膜的一側（由a中的長箭頭表示）。在PCC情況下，Li+傳輸同時發(fā)生在兩側，通過PCC和隔膜（由a中的短箭頭表示）。放大圖為PCC的示意圖，PCC由夾層、多孔和多級聚合物基體組成，表面涂有兩種類型的金屬。c，TCC和PCC電池中DLC（擴散限制的倍率）的概念比較。使用PCC可使有效Li+傳輸路徑長度減半，使電池受擴散限制的倍率能力翻兩番。圖2使用TCC和PCC對電池進行數(shù)值模擬。a，具有TCC和PCC的多層軟包電池配置。b，兩個電池中電極的鋰濃度圖，充電到4.2V的截止電壓。c，d，不同充電電壓（2.5、3.8和4.2V）下TCC殼（c）和PCC殼（d）中鋰濃度沿電極厚度方向的分布。e，TCC和PCC電池在4C下的充電曲線，總充電時間控制在15min。f，不同充電方法下TCC和PCC電池的歸一化容量。g，h，在4C（g）和6C（h）充電時，隔膜附近負極表面電極電位Ect演化。圖3PCC的主要設計理念及其性能。a，PCC制造工藝示意圖。b–g，SEM圖像顯示了防彈凱夫拉膜（b，c），PCC基體（d，e）和PCC（f，g）的形貌。h，能量色散X射線光譜顯示了金屬在PCC厚度方向上的分布。i，集流體電阻隨其長度的變化。j，商用隔膜、PCC基體和PCC之間的離子電導率比較。比例尺：5μm（b）、1μm（c）、20μm（d、f、h）和3μm（e，g）。圖4具有TCC和PCC的多層軟包電池的電化學性能。a，含有TCC和PCC的多層軟包電池的倍率性能。b，通過控制整體CC-CV充電時間，比較在1-10C的倍率范圍內充電后軟包電池的可用容量。c，d，TCC（c）和PCC（d）軟包電池的充放電曲線。電池以不同的倍率充電，并在截止電壓為3V之前以1C的倍率放電。e，TCC和PCC軟包電池在1至10C的快速充電和快速放電容量比較。f，g，快速充電和快速放電程序下TCC（f）和PCC（g）的軟包電池的充放電曲線。圖5DPS（差壓傳感）在快速充電過程中檢測鋰析出。a，在極快充電過程中對多層軟包電池進行操作壓力測量的示意圖。b，c，PCC循環(huán)在1-10C之間循環(huán)的NMC/石墨多層軟包電池的充放電曲線（b）和壓力演化（c）。d，e，電池的dP/dQ曲線以慢速充電，建立PCC（d）和TCC（e）電池的鋰析出閾值。輪廓超出閾值，表明已發(fā)生鋰析出。f，g，PCC（f）和TCC（g）電池在不同充放電倍率下充電的dP/dQ曲線。所有放電程序均設置為1C，截止電壓為3.0V。為了處理dP/|dQ|數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)分析過程中去除充電和放電后的休息時間。結論總之，作者首先構思了用于高能和快充電池的PCC。這種設計允許鋰離子同時通過PCC和隔膜，在不影響電極厚度的情況下將有效Li+傳輸路徑長度減少一半。因此，高能電池的DLC能力可以翻兩番。該PCC由三層、多級和多孔聚合物基質組成，兩側均有Cu和Al涂層。實驗結果表明，配備該PCC的多層軟包電池具有出色的倍率能力：4C（充電15分鐘，從0到78.3%SOC），6C（充電10分鐘，從0到70.5%SOC）和10C（充電6分鐘，從0到54.3%SOC），同時在整個電池水平上保持3mAhcm-2的高面負載和約276W