Natural刊：新型電解液可實現十分鐘充放

浙江大學 2024-02-29 11:03:57

隨著全球清潔能源革命的持續推進，鋰離子電池憑借其高能量密度、長壽命、無記憶效應和低自放電率等優勢，需求激增，呈現指數級增長。尤其在電動汽車領域，鋰離子電池已成為綠色出行的時尚標志。

但不可否認，鋰離子電池的充電速度、工作溫度、安全性依舊是制約電動汽車進一步發展的瓶頸。

浙江大學材料科學與工程學院范修林研究員團隊長期致力于鋰離子電池研究。近期，該團隊開發并驗證了一套新型極端電解液設計原則，打破了傳統的鋰離子傳輸模式，并為具備特殊物化性質的電解液開辟了一條全新的研究途徑。基于此理念，團隊設計出一款新型電解液，不僅能夠支持高比能鋰離子電池在-70℃到60℃的超寬溫區內進行可逆地充放電，還可以使得高能量密度鋰離子電池在10分鐘內完成快速充放電。

研究中的鋰離子軟包電池

這項研究于北京時間2月29日刊發在國際頂級期刊《自然》。論文第一作者為浙江大學陸迪博士研究生和李如宏研究員，通訊作者為范修林研究員、美國馬里蘭大學王春生教授和美國布魯克海文國家實驗室的胡恩源教授，并受到浙大陳立新教授、范利武長聘副教授、肖學章副教授以及中國科學院化學研究所王建平研究員和馬里蘭大學鄧濤博士（現為上海交大中英低碳研究院副教授）的大力支持。浙大為第一單位和最后通訊單位。

鋰電池快速充電及低溫性能難點在哪里？

鋰電池要實現快充，意味著在整個體系中鋰離子都要實現快速的遷移。

目前認為，鋰離子在電解液及電解液-電極界面膜中的遷移為整個過程中的速度控制步驟。而界面膜又是電解液原位生成的，與電解液的性質密切相關。

綜合來講，在鋰離子電池中要實現快充的突破，電解液的特性至關重要。

范修林科研團隊

為此，范修林團隊選擇了從電解液這塊“空白區”下手。當然這里的難度也是可想而知，要讓鋰離子電解液同時具備有效的電解液-電極界面膜、寬溫域內高離子電導率和快速離子傳輸動力學，這對于此前已有研究的電解液來說都是不可能實現的。

這是因為電解液的高離子電導率需要溶劑具備高鋰離子溶劑化能，而生成無機的電解液-電極界面膜需要電解液溶劑具有低鋰離子溶劑化能，所以目前的電解液不可能同時實現高離子電導率和陰離子衍生的電解液-電極界面膜。

由此，范修林團隊朝著“不可能”開展長達4年的研究。

室溫快充僅需十分鐘，低溫性能還優異

面對幾萬種的溶劑，浙大團隊首次建立了一套溶劑篩選原則，用于篩選寬溫域內快速鋰離子動力學的潛在溶劑，進而將23種目標材料，制作成電解液并應用于鋰電池，展開實證研究。記者在實驗室看到研究中的鋰離子軟包電池，如同一塊塊壓縮餅干，卻能展現出不同的功能效應。

溶劑篩選策略

（a）溶劑化鞘體積與溶劑化能關系圖；（b）溶劑化鞘體積與離子傳輸能壘關系圖

在一次次實驗中，浙大科研人員提出并驗證了一種“配體通道促進傳輸”機制，建立了離子在電解液和固態電解質中傳輸的統一框架，最終確定了電解液的最佳配方。

電解液中離子傳輸行為。（a）介質傳輸；（b）結構傳輸；（c）配體通道促進傳輸

相關測試數據表明，浙大提出的新型電解液在25℃室溫下的離子電導率是商用電解液的4倍；在-70℃時高于商用電解液3個數量級以上。“在同等條件下，我們設計的鋰離子電池，能夠實現充電10分鐘，達到八成充電量，展現出超快的離子傳輸行為。”快充性能優異，也意味著低溫充放電性能較為優異，“在低溫下我們的電池也能展現出良好的性能”。