谢科予教授、张祥功研究员、阙兰芳副教授，AFM观点：12 Ah级锂离子软包电池在−20至50°C温度范围内实现快速充电

第一作者：王磊

通讯作者：谢科予*，张祥功*，阙兰芳*

单位：西北工业大学，武汉船用电力推进装置研究所，华侨大学

近年来，锂离子电池（LIBs）在纯电动汽车（EVs）中的应用激增，作为应对气候变化和空气污染的策略之一。然而，EVs的发展受限于其有限的续航里程和较长的充电时间。因此，提高快速充电能力成为电池制造商和原始设备制造商的共同目标。快速充电的目标是能够在15分钟内将电池容量充至80%。实现这一目标的主要技术障碍是LIBs技术。在高充电速率下，电池会经历活性材料利用率降低、锂沉积增加和由于各种极化（如欧姆、浓度和电化学）引起的过度热量产生，导致能量和功率密度迅速下降，并增加潜在的安全风险。

这些问题在极端操作条件下尤为明显。高温会加速电极退化和副反应，可能引发热失控。低温则会减缓电解质质量传输和电极电荷转移等过程的动力学。锂离子迁移缓慢将导致过电位显著增加，并加速石墨负极表面的锂沉积。尽管提出了诸如常规石墨颗粒、电解质设计和电极结构工程等策略来抑制枝晶生长，但在高充电速率和低温混合工作条件下，这一问题变得更加复杂。

近日，西北工业大学谢科予、武汉船用电力推进装置研究所张祥功、华侨大学阙兰芳团队在国际知名期刊Advanced Functional Materials上发表题为“12-Ah-Level Li-Ion Pouch Cells Enabling Fast Charging at Temperatures between −20 and 50 ℃”，该文章发现在碳酸酯基 LiPF6 电解质中添加 LiFSI 可改变 Li⁺ 溶剂化结构，使电解质具有更高的 Li⁺ 扩散系数和更低的去溶剂化能。得益于较小的结构变化和坚固、导电的固体电解质界面，基于 LiNi_0.52Co_0.2Mn_0.28O₂ 正极和石墨负极的 12Ah 软包电池在 −20 至 50 ℃ 的宽温度范围内表现出快速充电能力和稳定的循环性能：在 25 和 50 ℃ 下 4 分钟内充电 89% 和 93% 软包电池容量，在 −20 ℃ 下 15 分钟内充电 82%，在 0 ℃ 下 8C 循环 2000 次后容量保持率为 94%，在 4C 下 −20 ℃ 循环 350 次后容量保持率为 89%。这项工作可能会为提高锂电池在极端条件下的快速充电能力提供新的见解。

本文通过在单盐体系（LiPF₆）中加入一定量的LiFSI构建双盐体系，优化电解液的Li⁺溶剂化结构，提高离子电导，降低Li⁺脱溶剂化能，进而改善电池的宽温域快充性能。通过分子动力学模拟优化的Li⁺溶剂化结构表明，双盐体系中Li⁺与阴离子的配位数为0.39，高于单盐体系的0.34，而Li⁺与溶剂（EP）的配位数由单盐体系的0.63减小至0.43。这表明双盐体系中Li⁺溶剂壳层中含更多阴离子、更少溶剂，有利于形成富含LiF的固态电解质膜（CEI/SEI），促进Li⁺脱溶剂化过程。双盐体系电解液的Li⁺扩散系数高于单盐体系。在低温下，双盐体系中Li⁺与溶剂结合能明显低于单盐体系，表明双盐体系在低温下性能更佳。此外，双盐体系电解液的Li⁺溶剂化自由能更高，溶剂与Li⁺的结合更弱，这与分子动力学模拟结果一致。优化后的双盐体系电解液可显著提升锂离子电池的低温快充性能。

电极-电解质界面对提高可充电池的循环稳定性和延长电池寿命至关重要。稳固的CEI和SEI膜可减少电极与电解液的直接接触，提高电解液的稳定性。通过时间飞行二次离子质谱（TOF-SIMS）对NCM正极与石墨负极在8C倍率下循环1000次后的界面化学进行表征，发现单盐体系电解液中正极界面含有更多的电解液分解产物，导致电压稳定性差、库伦效率低、产气多；而双盐体系电解液中锂盐分解产物较少，LiF占比增加，有利于界面稳定性和Li⁺传输。快充过程中，双盐体系电解液的过渡金属氟化物含量低于单盐体系，表明双盐体系能抑制正极过渡金属的溶解。原位气相质谱仪（DEMS）分析显示，双盐体系电解液在8C充放电时的产气量较低，界面相稳定性更好。石墨负极界面分析显示，双盐体系电解液使界面稳定性显著改善，有机物和锂盐分解产物较少。

对比循环后的NCM正极颗粒内部结构，发现在单盐体质中发现明显的颗粒内裂纹，这些裂纹会加速正极颗粒与电解液的寄生反应，促进过渡金属的溶解/迁移和厚CEI的形成，导致正极的快速降解。而在双盐体系中，循环后的正极颗粒没有观测到明显的裂纹形成，这可能源于双盐体系中形成的坚固CEI层，稳定界面的同时提高颗粒的结构稳定性。此外，在单盐体系与双盐体系电解液中循环的负极颗粒仍能保持良好的颗粒稳定性，并未发现材料裂化现象，即循环过程并未造成负极颗粒结构劣化。

这项研究展示了双盐电解质在NCM523||石墨12 Ah软包电池中的显著性能优势，特别是在广泛温度范围下的快速充放电表现。其稳定的循环寿命和较高的容量保持为电动车和能源存储系统提供了可靠的解决方案。此外，通过改善锂离子扩散系数和降低脱溶剂能垒，双盐电解质改进了电池的结构稳定性和导电性固体电解质界面形成，为未来电池设计和应用提供了新的技术路径。

12-Ah-Level Li-Ion Pouch Cells Enabling Fast Charging at Temperatures between −20 and 50 °C

谢科予教授简介：谢科予教授简介：西北工业大学材料学院教授、博导，长期从事高性能化学电源及其关键材料研究，研究成果先后发表在Nature Communications, Advanced Materials, Energy & Environmental Science, Angewandte Chemie International Edition等高水平期刊。

张祥功研究员简介：工学博士，长期主持深海电池、高功率电池等特种电能源工程技术研究。

阙兰芳副教授简介：华侨大学副教授，硕士生导师，长期从事新能源材料与器件方向的相关研究。迄今已合作发表SCI论文60余篇，其中以（共同）第一/通讯作者身份发表SCI论文20余篇，包括：PNAS、Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Funct. Mater.、ACS Nano等。

王磊简介：高级工程师，工学博士研究生，长期参与深海电池、高功率电池等特种电能源工程技术研究。