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超快充(XFC)应用 | 三电极动态EIS解锁电荷转移限制

时间:2022-11-28阅读:1098

以锂离子电池作为动力的电动车的充电时间,极大的限制了电动车的发展。因此,寄希望于极速快充(XFC)能够在10-15分钟内实现充电0-80% SOC。由于离子传输的限制和析锂的风险,这对目前采用石墨(Gr)基负极和过渡金属氧化物正极的锂离子电池(LIBs)提出了巨大的挑战。通常认为,充电过程涉及正负极材料或电解质中的离子传输,和固液界面的电荷传输。同时大量的文献认为,离子在充满电解质的电极孔隙或电极颗粒内部的扩散是快速充电过程中的限速步骤,特别是在较高负载(>3 mAh cm-2)的高比能量锂离子电池。但难以直接观测界面结构和离子传输机制,因此很难监测跨越电极-电解质界面的电荷转移。

基于以上问题,清华大学张强教授团队,采用纽扣电池三电极体系,利用输力强1470E/1455辅助分压,进行了动态EIS及同步正负极阻抗监测,结果表明,快速的电荷转移速率对于实现不同尺寸材料的高比能量非常重要,这使得对之前传质过程是快充主要速率限制的假设产生了新的认识。

 

Fig 1 . 纽扣电池中的三电极示意图

A) 锂参比电极是通过在铜线尖端附加一小片锂箔制成的

B) 纽扣三电极由工作电极,Li参比电极,两层隔膜,

锂片做对电极构成三明治结构

 

​Fig 2 动态EIS用于研究电极界面动力学

A) 动态交流阻抗(DEIS)的电压和电流曲线

B) 由DEIS获得的典型Nyquist曲线,

石墨负极对参比和NCA正极对参比,

等效电路分别进行拟合

 

 

​Fig3 NAC正极在充电过程中不同SoC下的NCA曲线。

直流电流为0.3C,GEIS电流扰动为0.03C

 

然而,除了以前专注于单电极的研究,围绕着界面电荷转移是否决定了锂离子全电池的快速充电能力,如果是限制步骤,那是如何限制的,仍然然存在很大争议。因此,三电极动态EIS提供了一种有效的思路。

Fig 4 石墨负极在充电过程中不同SoC下,

动态GEIS测试 DC电流0.25 C ,交流振幅为0.025 C.

 

结论

使用动态交流阻抗(DEIS)对三电极中正负极电荷转移动力学进行了量化,不同于传统稳态EIS, DEIS结合三电极可以独立提取电池中正极或者负极的反应动力学。此外,在不同的电解质条件下,EC/DMC LiPF6(20.6 Ohm)与 EC/DMC LiTFSI (9.3Ohm)相比,NCA在不同的SoC下Rct减半。通过改进的电解质,FEC/DMC LiPF6,加速了锂离子的去溶剂化,在快充条件下表现出更小的极化。

 

参考文献

1. Unlocking Charge Transfer Limitations for Extreme Fast Charging of Li-Ion Batteries, Angewandte Chemie International Edition

( IF 16.823 ) Pub Date : 2022-11-16 , DOI: 10.1002/anie.202214828, Yu-Xing Yao, Xiang Chen, Nan Yao, Jin-Hui Gao, Gang Xu, Jun-Fan Ding, Chun-Liang Song, Wen-Long Cai, Chong Yan, Qiang Zhang

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