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超快充(XFC)應用 | 三電極動態EIS解鎖電荷轉移限制

時間:2022-11-28閱讀:996

以鋰離子電池作為動力的電動車的充電時間,極大的限制了電動車的發展。因此,寄希望於極速快充(XFC)能夠在10-15分鐘內實現充電0-80% SOC。由於離子傳輸的限制和析鋰的風險,這對目前採用石墨(Gr)基負極和過渡金屬氧化物正極的鋰離子電池(LIBs)提出了巨大的挑戰。通常認為,充電過程涉及正負極材料或電解質中的離子傳輸,和固液介面的電荷傳輸。同時大量的文獻認為,離子在充滿電解質的電極孔隙或電極顆粒內部的擴散是快速充電過程中的限速步驟,特別是在較高負載(>3 mAh cm-2)的高比能量鋰離子電池。但難以直接觀測介面結構和離子傳輸機制,因此很難監測跨越電極-電解質介面的電荷轉移。

基於以上問題,清華大學張強教授團隊,採用紐扣電池三電極體系,利用輸力強1470E/1455輔助分壓,進行了動態EIS及同步正負極阻抗監測,結果表明,快速的電荷轉移速率對於實現不同尺寸材料的高比能量非常重要,這使得對之前傳質過程是快充主要速率限制的假設產生了新的認識。

 

Fig 1 . 紐扣電池中的三電極示意圖

A) 鋰參比電極是透過在銅線尖端附加一小片鋰箔製成的

B) 紐扣三電極由工作電極,Li參比電極,兩層隔膜,

鋰片做對電極構成三明治結構

 

​Fig 2 動態EIS用於研究電極介面動力學

A) 動態交流阻抗(DEIS)的電壓和電流曲線

B) 由DEIS獲得的典型Nyquist曲線,

石墨負極對參比和NCA正極對參比,

等效電路分別進行擬合

 

 

​Fig3 NAC正極在充電過程中不同SoC下的NCA曲線。

直流電流為0.3C,GEIS電流擾動為0.03C

 

然而,除了以前專注於單電極的研究,圍繞著介面電荷轉移是否決定了鋰離子全電池的快速充電能力,如果是限制步驟,那是如何限制的,仍然然存在很大爭議。因此,三電極動態EIS提供了一種有效的思路。

Fig 4 石墨負極在充電過程中不同SoC下,

動態GEIS測試 DC電流0.25 C ,交流振幅為0.025 C.

 

結論

使用動態交流阻抗(DEIS)對三電極中正負極電荷轉移動力學進行了量化,不同於傳統穩態EIS, DEIS結合三電極可以獨立提取電池中正極或者負極的反應動力學。此外,在不同的電解質條件下,EC/DMC LiPF6(20.6 Ohm)與 EC/DMC LiTFSI (9.3Ohm)相比,NCA在不同的SoC下Rct減半。透過改進的電解質,FEC/DMC LiPF6,加速了鋰離子的去溶劑化,在快充條件下表現出更小的極化。

 

參考文獻

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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