2021年12月06日 | 阿贡研究人员新发现：快速充电降低锂离子电池性能存在其他原因

2021-12-06 来源：盖世汽车

据外媒报道，阿贡国家实验室（Argonne National Laboratory）和伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校（University of Illinois Urbana-Champaign）的科学家经研究发现，电动汽车中快速充电导致锂离子电池性能下降还存在其他原因，且在电池充放电过程中，阳极会发生有趣的化学反应。

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（图片来源：阿贡国家实验室）

相关论文作者之一、伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的Saran Pidaparthy表示：“锂离子电池电芯快速充电会降低其能量和功率性能。论文展示了来自制备的石墨电极（Gr-AP）和从先前以6 C的速率充电（Gr-LP）的（放电）电池中提取的电极的代表性数据。电化学测量表明，收获的电极容量比Gr-AP电极低，并且即使在低速率下也显示出倾斜的锂化曲线，而不是阶梯状曲线。”

Pidaparthy还表示：“我们研究的意义是，即使少量的高倍率循环也足以在最靠近电解质的石墨域中引起显著和永久无序，无论是在粒子表面还是在内部孔隙。这种无序会影响锂化动力学，阻止石墨颗粒接受电荷并推动锂电镀。此外，我们还表明这些结构变化在同一颗粒内的各个孔中高度不均匀，而这些是通常在高速率下观察反应异质性的结果。了解和减轻石墨/电解质界面的结构演变对开发锂离子电池而言非常重要，因为该电池可以反复快速充电，在车辆的10年使用寿命内提供可靠性能。”

锂离子电池的阳极通常由小颗粒组装而成的石墨制成；锂离子可在嵌入过程中将自身嵌入阳极材料中。当嵌入正确时，电池可以成功充电和放电。然而，当电池充电过快时，嵌入就变得非常难。锂离子无法顺利进入石墨，而是聚集在阳极表面顶部，从而产生可能损坏电池的电镀效应。

阿贡电池科学家Daniel Abraham表示：“电镀是快速充电期间电池性能受损的主要原因之一。当快充电池时，我们发现除了阳极表面的镀层外，电极孔内还有反应产物的堆积。”因此，阳极本身会发生一定程度的不可逆膨胀，从而损害电池性能。

通过使用扫描电子纳米衍射技术，研究人员观察到石墨颗粒的另一个显著变化，即在原子层，颗粒边缘的石墨原子晶格由于反复快速充电而扭曲，阻碍了嵌入过程。

Abraham表示：“我们看到石墨中的原子网络会发生扭曲，从而阻止锂离子在颗粒内部找到“家”，而是镀在颗粒上。电池充电速度越快，阳极的原子序就越混乱，因此最终会阻止锂离子来回移动。

所以找到合适的、防止这种组织损失或以某种方式修改石墨颗粒的方法非常关键，可以使锂离子能够更有效地嵌入。”

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