在更短的時(shí)間內(nèi)以更低的成本和更高的安全性獲得更多的能量，這是電池研究的主流方向且一直在努力突破。自1991年鋰離子電池（LIBs）實(shí)現(xiàn)商業(yè)化以來(lái)，該領(lǐng)域取得了重大進(jìn)展。然而，電動(dòng)汽車應(yīng)用的一個(gè)挑戰(zhàn)主要在于其所用電池的充電速度不夠，即與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力汽車相比，LIBs需要很長(zhǎng)的時(shí)間才能將電池充滿。因此，美國(guó)先進(jìn)電池聯(lián)盟（USABC）的目標(biāo)是在15分鐘內(nèi)將電池充電至80%的荷電狀態(tài)（SOC）。近日，來(lái)自德國(guó)吉森大學(xué)的Jürgen Janek和以色列理工學(xué)院的Yair Ein-Eli合作，從物理化學(xué)和材料的角度分析了當(dāng)今LIBs快速充電的進(jìn)展情況及存在問(wèn)題。

文章指出，活性材料中鋰離子的快速擴(kuò)散被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)快速充電所需的主要因素之一。改性的負(fù)極材料應(yīng)具有較低的能壘，以實(shí)現(xiàn)鋰的遷移或擴(kuò)散。因此，鋰的電鍍——石墨負(fù)極上觀察到的主要障礙——也可以減少。一旦擴(kuò)散速度不夠，那么顆粒尺寸將成為實(shí)現(xiàn)快速充電的重要因素。對(duì)于具有強(qiáng)擴(kuò)散各向異性的活性材料（如層狀化合物），顆粒形貌是另一個(gè)重要因素。顆粒形貌控制可能會(huì)實(shí)現(xiàn)材料層面上更快的充電速率。這就導(dǎo)致在電極水平上需要具有低彎曲系數(shù)和優(yōu)化孔隙率（平衡電子和離子電導(dǎo)率）的特定微觀結(jié)構(gòu)。

從材料的角度來(lái)看，石墨負(fù)極上鋰的電鍍和正極活性材料（CAM）中鋰的擴(kuò)散是主要的速控步驟。本質(zhì)上，鋰在液態(tài)電解質(zhì)和活性材料中的緩慢擴(kuò)散會(huì)導(dǎo)致真正的速控步驟。活性材料顆粒的形貌、形狀和取向都可以改善鋰在固相中擴(kuò)散的限制影響。在電極層面上，活性顆粒尺寸分布、彎曲度和孔隙率是相關(guān)的，因?yàn)殡姌O尺度上基于擴(kuò)散的鋰傳輸受到負(fù)極中這些參數(shù)的強(qiáng)烈影響，并在較小程度上受正極中的參數(shù)影響。對(duì)于后者，鋰離子遷移率在很大程度上取決于荷電狀態(tài)（SOC），因?yàn)榫w結(jié)構(gòu)和擴(kuò)散跳躍的順序通常隨鋰的含量而變化。但是，如果彎曲度過(guò)高，材料水平上的高離子電導(dǎo)率不一定轉(zhuǎn)化為可快速充電的電極。

文章總結(jié)了以動(dòng)力學(xué)為重點(diǎn)的LIBs的物理化學(xué)基礎(chǔ)。通過(guò)電化學(xué)電位分布討論了不同過(guò)電位的起源。此外，特別強(qiáng)調(diào)了非相變電極和相變電極（以及作為其特例的轉(zhuǎn)換型電極）之間的差異，得出結(jié)論認(rèn)為對(duì)后一種類型的擴(kuò)散現(xiàn)象進(jìn)行評(píng)估，具有一定挑戰(zhàn)性，并且轉(zhuǎn)換電極不太適合快充應(yīng)用。

除了這些與電極相關(guān)的過(guò)電位之外，在負(fù)極和正極上也必須考慮界面處的電荷轉(zhuǎn)移和導(dǎo)致相形成的界面退化。對(duì)于液態(tài)電解質(zhì)（LEs），濃差極化是形成電解質(zhì)過(guò)電位的決定性因素，表明極限電流可能是主要問(wèn)題，特別是對(duì)于厚電極。固態(tài)電解質(zhì)（SEs）提供了更高的電荷載流子濃度和接近1的鋰離子轉(zhuǎn)移數(shù)，因此不會(huì)發(fā)生濃差極化。因此，該速率不受由于電極中鋰離子的消耗而導(dǎo)致的電流限制影響，而是受SEs的一般有限（有效）的離子電導(dǎo)率的影響。

對(duì)于負(fù)極，低擴(kuò)散勢(shì)壘材料具有非常好的快速充電性能。較小顆粒的好處也很突出，但也凸顯了由于表面積較大而導(dǎo)致降解增加的缺陷。進(jìn)一步分析了不同的負(fù)極材料并討論了它們的優(yōu)缺點(diǎn)。對(duì)于正極，使用最先進(jìn)的NCM材料的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立了正極過(guò)電位的SOC依賴關(guān)系。此外，通過(guò)與其他CAM相比，突出了倍率性能對(duì)鋰擴(kuò)散率的依賴性，即隨著鋰擴(kuò)散系數(shù)的增加，更快的充電成為可能。研究發(fā)現(xiàn)，雖然正極復(fù)合材料的特性確實(shí)對(duì)電極的快充能力有一定影響，但對(duì)于應(yīng)用-相關(guān)的正極復(fù)合材料，影響較小。相反，根據(jù)不同CAM不同的Li+化學(xué)擴(kuò)散系數(shù)和晶體結(jié)構(gòu)，CAM本身的特性被認(rèn)為會(huì)極大地影響正極過(guò)電位。此外，還必須考慮取決于SOC的相變，因?yàn)橹T如NCM等最先進(jìn)的層狀氧化物會(huì)隨著鋰化程度的變化而發(fā)生相變。

實(shí)驗(yàn)研究表明，液態(tài)電解質(zhì)內(nèi)的傳輸在確定給定電池的快速充電能力方面并沒(méi)有起太大的作用。它的離子電導(dǎo)率雖然足夠高，但不會(huì)像電極一樣減緩鋰的傳輸速度。特別是在負(fù)極側(cè)，液態(tài)電解質(zhì)中的傳輸成為速控步驟。對(duì)于一般的電極特性，靶向快速充電應(yīng)用的電流密度接近其極限電流密度。這會(huì)導(dǎo)致高的過(guò)電位，從而發(fā)生負(fù)極鍍鋰。此外，電解質(zhì)與活性材料的相容性也十分重要，因?yàn)樨?fù)極和正極側(cè)都會(huì)發(fā)生降解，分別導(dǎo)致SEI和CEI的形成。因此，SEI特性可以通過(guò)電解質(zhì)組成進(jìn)行調(diào)整，從而優(yōu)化降低電荷轉(zhuǎn)移電阻。然而，對(duì)于固態(tài)電解質(zhì)，其機(jī)械性能十分重要。因?yàn)榭伤苄缘娜鄙倏赡軙?huì)導(dǎo)致接觸損失和電荷轉(zhuǎn)移電阻顯著增加。在任何情況下，電極微結(jié)構(gòu)——連同活性顆粒的形貌和微結(jié)構(gòu)——都是至關(guān)重要的，并需要進(jìn)行調(diào)整以實(shí)現(xiàn)大的電流密度和快速充電。因此，當(dāng)使用固態(tài)電解質(zhì)代替液態(tài)電解質(zhì)時(shí)，正極復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)也變得越來(lái)越重要。

如實(shí)驗(yàn)研究所示，可以應(yīng)用高溫來(lái)克服這一缺點(diǎn)。事實(shí)上，在寒冷氣候下通過(guò)內(nèi)部或外部方式預(yù)熱EV電池以加快充電速度是常見(jiàn)做法。然而，為了獲得更好的動(dòng)力學(xué)來(lái)提高溫度總是伴隨著加速降解，從而縮短壽命。必須應(yīng)用熱管理系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)最佳散熱，以減少退化并延長(zhǎng)電池壽命。此外，還應(yīng)考慮改進(jìn)充電協(xié)議，因?yàn)槊}沖充電和逐步降低充電電流顯示出優(yōu)于傳統(tǒng)CC-CV方法的優(yōu)點(diǎn)，不僅可以提高性能，還可以減少退化。

通過(guò)在材料層面強(qiáng)調(diào)不同電池組件的速率限制方面并提出快速充電應(yīng)用所需的最佳性能，希望激發(fā)對(duì)這一關(guān)鍵領(lǐng)域的進(jìn)一步研究，從而可能使得電動(dòng)汽車在未來(lái)更好地適應(yīng)市場(chǎng)需求。