隨著電動汽車續(xù)航里程的大幅提升，

充電效率已成為制約其大規(guī)模推廣的關鍵因素。高能量密度鋰離子電池因電極材料倍率性能不足，難以實現(xiàn)安全快速充電。本文將深入探討快充鋰離子電池正負極材料的最新研究進展。

快充鋰離子電池的基礎原理

Millennial Lithium

鋰離子電池被稱為“搖椅式電池”，其工作原理在于鋰離子在正負極之間的可逆嵌入和脫出。充電時，在外加電場作用下，鋰離子從正極材料中脫出，穿過電解質和隔膜，嵌入負極材料中，同時電子通過外電路從正極流向負極。

鋰離子電池結構示意圖

快充性能主要取決于離子和電子在電極、電解質及其界面的傳輸能力。當電池長時間高倍率充電時，電極中鋰離子濃度增加會導致高極化，從而降低電池電壓。同時，快充過程中內(nèi)阻增加會產(chǎn)生高熱效應，引發(fā)電解質分解、產(chǎn)氣等不可逆反應，降低安全性和循環(huán)壽命。

快充正極材料的研究進展

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常用正極材料性能對比

目前常用的正極材料主要包括LiFePO?（LFPO）、LiNi?Co?Mn?O?和LiCoO?（LCO）。這些材料各有特點，適用于不同的應用場景。

常見正極材料各方面性能對比圖（注：在坐標軸上，形狀延伸越遠，性能越好）

LiFePO?理論比容量為170 mAh·g?1，工作電壓適中穩(wěn)定，安全性高，具有優(yōu)異的可逆性和循環(huán)穩(wěn)定性，且原料豐富、成本低。然而其離子電導率較低（10??–10??S·cm?1），限制了快充性能。

LiNi?Co?Mn?O?具有高比容量、高離子電導率和相對較低的價格，是很有前景的快充正極材料，但其安全性有待提高。

LiCoO?具有高比容量和穩(wěn)定工作電壓（3.7 V），同時具有高電子電導率（10?3S·cm?1）和離子電導率（10??cm2·s?1），是理想的快充正極材料。

納米尺度材料設計

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活性材料尺寸對電化學過程中離子的擴散路徑至關重要。納米尺度的活性材料增加了比表面積，縮短了Li?擴散路徑，從而提高了快充性能。

Xia等人報道了通過“水熱鋰化”方法在碳布上可控制備3D自支撐層狀單晶LiCoO?納米片陣列，隨后在380°C下進行低溫熱處理。憑借其獨特的3D納米結構，自支撐LiCoO?納米片陣列電極具有大比容量、出色的倍率性能和長期循環(huán)穩(wěn)定性。

(a) 碳布上3D LiCoO?納米片陣列的制備過程示意圖。(b) 不同溫度下合成的LiCoO?納米片陣列在掃描速率為0.1 mV·s?1時的典型CV曲線

表面包覆策略

電導率是影響快充性能的另一重要因素。LiFePO?、LiNi?Co?Mn?O?和LiCoO?的電導率較低，限制了其倍率性能。提高電導率的有效方法是用高電導率材料（碳材料、金屬等）進行表面包覆。

Wang等人通過簡單煅燒方法成功制備了三維碳包覆LiFePO?。作為鋰離子電池正極材料，碳包覆LiFePO?在2C下顯示出159.8 mAh·g?1的高比容量和優(yōu)異的循環(huán)性能（容量保持率約84.2%）。

(a,b) LFPO_15%_500°C, LFPO_15%_800°C的FESEM圖像 (c) LFPO的晶體結構

Qu等人制備了氮摻雜碳包覆LiFePO?（NC-LFP）。氮摻雜碳能有效防止LFP顆粒在反應過程中團聚和體積膨脹，同時受益于電子的快速傳輸，提高了NC-LFP復合材料的電導率。結果表明，NC-LFP復合材料顯示出卓越的倍率性能（5C下約110 mAh·g?1）和優(yōu)異的循環(huán)性能（1C下100次循環(huán)后約140 mAh·g?1）。

快充負極材料的研究進展

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常用負極材料及改進策略

常用的快充鋰離子電池負極材料包括Li?Ti?O??、碳基材料（石墨、碳納米管等）和一些新型材料（金屬氧化物、鋰金屬等）。多項研究通過各種對活性材料的改性提高了負極中Li?的遷移率。

鈦酸鋰負極

Li?Ti?O??是一種尖晶石過渡金屬氧化物，其最大特點是“零應變”，可避免循環(huán)性能過程中的結構損傷，保持比容量并提高循環(huán)壽命。與石墨相比，Li?Ti?O??具有更高的Li?擴散系數(shù)，因此是流行的快充鋰離子電池負極材料。

Yan等人報道了介孔單晶鈦酸鋰（MSC-LTO）微棒，可在鋰離子電池中實現(xiàn)優(yōu)異的快速充放電性能和良好的長期穩(wěn)定性。MSC-LTO微棒具有單晶結構，整個單晶內(nèi)的孔相互連接。微棒內(nèi)的互連孔顯著縮短了Li離子的擴散長度，并允許電解質在電池循環(huán)過程中滲透到單晶內(nèi)部。

多晶LTO電極和MSC-LTO電極之間的Li?傳輸比較。(a) 在多晶LTO電極中，Li?需要長距離擴散并克服晶界才能到達電解質。(b) MSC-LTO電極通過電解質滲透可大大縮短Li?傳輸距離

碳基負極材料

對于快充負極材料，其電導率和Li?擴散率應較高。此外，負極材料尺寸應小，孔隙率應大，這可增加離子通道，有利于離子快速嵌入。

石墨碳包括天然石墨、人造石墨和石墨碳纖維。石墨具有高能量密度、低成本和簡單的生產(chǎn)工藝。層狀結構有利于循環(huán)過程中Li?的嵌入和脫出。

Dae Sik Kim等人通過在石墨表面包覆一層無定形Al?O?，顯著提高了石墨材料的快充能力。表面工程化的含有1 wt% Al?O?的石墨即使在4000 mA·g?1的高倍率下也表現(xiàn)出約337.1 mAh·g?1的可逆容量，相當于在100 mA·g?1電流密度下的97.2%。

(a) 石墨表面Al?O?涂層 proposed 合成路線示意圖 (b) 原始石墨的SEM圖像

新型負極材料的開發(fā)

為提高快充性能，一些新型負極材料如金屬氧化物（片狀α-Fe?O?、Co?O?、CoFe?O?、Nb?O?納米顆粒）、MXene、硅納米纖維、錫納米顆粒和鍺納米顆粒等被開發(fā)出來。

本文設計了六方多孔Co?VO?納米盤（PCVOND）結構作為高性能鋰離子電池的負極材料。PCVOND具有74.57 m2·g?1的高比表面積和大量尺寸均勻為14 nm的孔。多孔納米盤結構設計可縮短電極水平上電子和離子的擴散長度，進一步改善電化學動力學。

(a) PCVOND合成示意圖 (b) 倍率性能 (c) 10C下的循環(huán)性能

電動汽車無疑是對抗氣候變化的關鍵策略之一。為減少電動汽車的里程焦慮和充電焦慮，許多制造商正在開發(fā)快充鋰離子電池。電極材料在鋰離子電池的快充性能中起著關鍵作用。

新型負極材料及其改性的發(fā)展無疑是未來研究的重點。與當前商業(yè)化材料相比，許多新材料顯示出更好的快充性能，但其穩(wěn)定性、老化機制、大規(guī)模生產(chǎn)和成本仍有待討論。

原文參考：A Review on Electrode Materials of Fast‐Charging Lithium‐Ion Batteries

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