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愛達(dá)荷國家實(shí)驗(yàn)室EnSM：鋰離子電池極快充電的電解液設(shè)計(jì)、表征和測試方法

實(shí)現(xiàn)快速充電的能力已成為先進(jìn)電池在眾多應(yīng)用中的實(shí)際問題。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的核心是電解液，其在電化學(xué)電池中控制著離子傳輸、極化、倍率性能、溫度性能和電池壽命的諸多方面。

在此，美國愛達(dá)荷國家實(shí)驗(yàn)室Kevin L. Gering等人基于10分鐘極速充電 (XFC) 的目標(biāo)討論了鋰離子電池候選電解液的選擇、測試和驗(yàn)證。作者通過建模和實(shí)驗(yàn)測量的結(jié)合開發(fā)了一種及時(shí)和協(xié)同的方法來確定候選電解液配方。

作者發(fā)現(xiàn)多溶劑系統(tǒng)提供了一組平衡的特性，其中較低分子量的溶劑可降低粘度、增加物質(zhì)擴(kuò)散率，并在高充電速率下減輕濃差極化。精心選擇的電解液配方顯示出基準(zhǔn)EC-EMC (3:7, wt.)+LiPF₆電解液的2~3倍的峰值電導(dǎo)率和可用電導(dǎo)率范圍。

圖1. 高級(jí)電解液模型 (AEM) 的建模和參數(shù)預(yù)測

此外，作者還依據(jù)電池環(huán)境中的穩(wěn)定性和壽命來選擇候選電解液，實(shí)驗(yàn)測試與高級(jí)電解液模型 (AEM) 和宏觀電池模型的特性預(yù)測一致。

作者基于具有帶石墨電極的NMC532或NMC811正極的扣式和軟包電池進(jìn)行了測試，結(jié)果表明，低分子量溶劑的組合是快速充電電解液的關(guān)鍵，因?yàn)樗鼈儗⒂杏玫碾妼?dǎo)率范圍擴(kuò)展到低鹽濃度和高鹽濃度，并且與傳統(tǒng)溶劑相比具有更高的自擴(kuò)散性，減少了濃差極化的影響。因此，電解液傳輸行為對(duì)電池XFC性能起主要影響，鋰去溶劑化在速率限制方面起次要作用。

圖2. 實(shí)驗(yàn)測試的軟包電池的電化學(xué)性能

Methodologies for Design, Characterization and Testing of Electrolytes that Enable Extreme Fast Charging of Lithium-ion Cells, Energy Storage Materials 2021. DOI: 10.1016/j.ensm.2021.10.011

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