第一作者：Yayuan Liu
通訊作者：崔屹
通訊單位：斯坦福大學
核心內(nèi)容：
系統(tǒng)總結了超級快充電池材料面臨的四大挑戰(zhàn)及其帶來的機遇，從質(zhì)量傳遞、電荷轉移、熱管理、表征技術四個方面闡述了分析了當前電池材料快速充電所面臨的主要問題、解決方案以及未來研究方向。
充電5分鐘，通話2小時的廣告語言猶在耳。然而事實上，實現(xiàn)這個目標困難重重，需要橫跨多個層次的基礎研究和技術開發(fā)，電池技術就是其中最關鍵的障礙之一。
目前而言，由石墨負極、過渡金屬氧化物正極和液態(tài)電解質(zhì)組裝的高能鋰離子電池在電池性能和安全性方面還無法達到15 min的快充目標。這是因為，當電池以高倍率充電時，電池內(nèi)部的各種極化（歐姆、濃度和電化學）將導致活性材料的有效利用受限，增加了鍍鋰的傾向，并產(chǎn)生過多的熱量。
有鑒于此，斯坦福大學崔屹教授團隊系統(tǒng)總結了超級快充電池材料面臨的四大挑戰(zhàn)及其帶來的機遇。研究團隊從質(zhì)量傳遞、電荷轉移、熱管理、表征技術四個方面闡述了分析了當前電池材料快速充電所面臨的主要問題、解決方案以及未來研究方向。
要點1：電解質(zhì)質(zhì)量傳遞
電解質(zhì)傳輸性質(zhì)在確定電池的充電速度方面起決定性作用。為了增強快充性能，可以從這4個方向著手：1）提高電解質(zhì)離子導電性；2）提高電解質(zhì)鋰離子傳遞數(shù)量；3）減少電極彎曲變形；4）是電池設計更加輕便。
要點2：電極電荷轉移
當充電速率超過石墨晶體結構中的嵌入速率時，就會在石墨上發(fā)生鍍Li現(xiàn)象，從而影響快速充電性能。為了增強快充性能，可以從這6個方向著手：1）加速鋰離子去溶劑化；2）使用低電阻SEI；3）增加活性位點的密度；4）抑制枝晶生長并在早期及時發(fā)現(xiàn)；5）尋找可替換的負極材料；6）質(zhì)量傳遞與電荷轉移的非關聯(lián)研究。
要點3：熱管理
鋰離子電池的性能和安全性受溫度的影響很大。在低溫下，電池動力學緩慢；而在高溫下，電池加速老化，極端溫度條件甚至會引發(fā)熱失控。因此，啟用XFC需要詳細了解溫度對電池的影響以及開發(fā)與天氣無關的熱管理解決方案。
低溫條件下，XFC的主要風險在于鍍Li。由于電解質(zhì)中的離子傳導和石墨表面的反應都隨著溫度降低而減慢，目前大多數(shù)電動汽車都不支持低溫快速充電。高溫條件下，副反應和電極降解加速發(fā)生，如果熱管理系統(tǒng)設計不當，快速充電期間的電池溫度可能會達到濫用條件并引發(fā)熱失控，從而導致災難性的安全隱患。
由于XFC和正常充電/放電模式下的電池發(fā)熱率極為不同，因此，通過先進的被動或主動控制和機器學習，或許是實現(xiàn)自適應電池熱管理系統(tǒng)的關鍵途徑。
要點4：表征技術
先進的表征技術，特別是具有高空間或時間分辨率的技術，可以批判性地將表征結果反饋到材料設計，并揭示XFC期間可能出現(xiàn)的新故障，這將有助于從根本上了解快速充電過程中電池的故障機制，從而為更合理的電池設計提供信息。由于電池內(nèi)的動態(tài)過程跨越多個長度和時間尺度，因此往往需要不同技術的組合。研究團隊重點介紹了基于X射線的技術的同步輻射技術和冷凍電鏡技術。
同步輻射具有良好的穿透深度和高亮度，可以在微尺度（電極和顆粒水平）對工作期間的電池進行無損表征。冷凍電鏡非原位高分辨率成像，則為電池材料提供了納米級和原子級的關鍵信息。
小結
電池是一個精密的系統(tǒng)工程，一個參數(shù)的改進可能會對其他電池指標產(chǎn)生負面影響，因此鋰離子電池技術的逐步變化需要采用整體方案。如何將許多概念驗證電池設計轉換為商業(yè)化產(chǎn)品，尤其值得思考。從長遠來看，采用顛覆性電池技術，如新型電池化學和3D電池架構，以最終實現(xiàn)快速充電和廣泛采用電動汽車，或許是不二之選。
XFC是一個復雜的主題，除了本文中提出的材料挑戰(zhàn)和解決方案之外，業(yè)界所追尋的系統(tǒng)級關注點和解決方案也非常重要。因此，我們呼吁行業(yè)專家分享知識和觀點，以彌合科學界和產(chǎn)業(yè)界之間的差距，以實現(xiàn)快速充電共同目標。
參考文獻：
Yayuan Liu, Yangying Zhu, Yi Cui. Challenges andopportunities towards fast-charging battery materials. Nature Energy 2019.
https://www.nature.com/articles/s41560-019-0405-3
