王春生/范修林/王雪锋AM: 50 C快充锂离子电池！

锂离子电池（LIBs）现在已凭借高能量密度的优势进入电动汽车市场，但其仍然受到石墨负极限制的缓慢动力学的影响。

图1. 本文提出的电解液设计原理和溶剂化结构

在此，美国马里兰大学王春生教授、浙江大学范修林研究员及中科院物理所王雪锋研究员等人挑战了单方面提高倍率性能的传统考虑，并提出了基于高倍率石墨负极LIB的电解液设计标准。进一步，作者设计了可在不镀锂的情况下对微型石墨负极进行极快充电（XFC）的电解液。对锂离子在电解液中的扩散、电荷转移过程和固体电解质界面（SEI）的综合表征和模拟表明，高离子电导率（IC）、低锂离子去溶剂化能（ΔE_dsv）和保护性SEI对XFC至关重要。

其中，Li⁺在电解液中的低ΔE_dsv赋予了快速的界面动力学，通过同时提高电解液的IC和形成薄而坚固的SEI可实现具有良好稳定性的超高倍率石墨负极。基于该标准，作者开发了两种快充电解液：1.8 M LiFSI DOL和1.0 M LiPF₆ FEC/AN（体积比为7:3）。

图2. 循环石墨负极上SEI的表征

电化学测试表明，前一种电解液使天然石墨（NG）电极在20和50 C时分别实现了315和 180 mAh g^-1的极高容量。XPS和低温TEM表征表明，石墨电极表面存在均匀且富含LiF的SEI。同时，负载量约为2 mAh cm^-2的NG||Li电池在4 C下表现出320 mAh g^-1的高容量，在-30 ℃、C/3条件下容量仍为300 mAh g^-1。而LiFePO₄（LFP）||NG电池在20 C时的容量为80 mAh g^-1，且软包电池在60 C的倍率下表现出60 mAh g^-1的高可逆容量。

此外，后一种电解液使具有2 mAh cm^-2正极负载的NCM811||NG电池在恶劣的循环条件下（4 C充电、0.3 C放电）保持170 mAh g^-1的容量。总之，这项研究建立了一个简单且可实现的设计用于快速充电石墨负极基LIB电解液的标准，对实际应用具有指导意义。

图3. 高压电解液的溶剂化结构与NCM811||NG电池性能

50C Fast-charge Li-ion Batteries Using Graphite Anode, Advanced Materials 2022. DOI: 10.1002/adma.202206020

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