高能锂离子电池的极速充电（XFC）对于电动汽车的未来发展具有重要意义。为了实现这一目标，以往的研究主要集中在改善锂离子在电极和电解质中的质量传输，然而，电荷跨电极-电解质界面转移的局限性仍未得到充分的探索。
近日，清华大学张强教授和闫崇研究员等人阐明了电荷转移动力学如何决定锂离子电池的快速充电。在XFC过程中，锂离子在正极-电解质界面上的转移是受限制的。通过解锁电荷转移限制，184 Wh kg−1软包电池显示出稳定的XFC（10分钟充电到80%）。
本研究使用了1.0-Ah NCA |石墨软包电池（图1A），同时使用两种基准电解质（EC/DMC LiTFSI和EC/DMC LiPF6）进行了渐进倍率试验（PRT）来表征这些电池的快速可充电性。EC/DMC LiTFSI的离子电导率（8.9 mS cm−1）比EC/DMC LiPF6（11.7 mS cm−1）低24%，但两种电解质具有相似的Li+迁移数（图1B）。因此，EC/DMC LiPF6的Li+电导率（6.0 mS cm−1）高于EC/DMC LiTFSI（4.9 mS cm−1），表明在XFC过程中质量传输速度更快。图1C-F记录了PRT过程中容量、库仑效率（CE）和充电曲线的演变。
令人惊讶的是，尽管EC/DMC LiTFSI电解质离子电导率较低，但其电池具有特殊的功率性能。它在直流（CC）中具有更高的充电能力，并显著降低了电池的极化（图1d和1F）。在4.0 C下充电从0到80% SOC，EC/DMC LiPF6为24.0分钟，而EC/DMC LiTFSI仅为12.6分钟。值得注意的是，EC/DMC LiTFSI电池的可逆容量和CE在4.0 C时迅速下降，而EC/DMC LiPF6电池没有容量衰减，CE几乎没有变化（图1C和1D）。
由于上述电池快速充电能力的显著差异不能用电极或电解质中的质量传输来解释，因此作者转向锂离子在电极-电解质界面上的传输动力学，即所谓的电荷转移动力学。作者在图2中提出了一种机制。在充电过程中，锂离子从正极脱插层，进入电解质溶剂化鞘，克服EC的能垒，并在剥离溶剂化鞘后插入负极，克服EA的能垒。如果EA和EC在两个电极上都很高（图2A），那么由于电池的大极化，电池就不能以较高的倍率充电。这是EC/DMC LiPF6的情况。在另一种情况下，EC/DMC LiTFSI在XFC过程中表现出低极化，这表明LiTFSI的加入降低了EA和EC。基于上述的原因，作者得出结论，LiTFSI是导致EC降低的原因。
在EC/DMC LiTFSI的情况下，EC的降低提高了电池的功率能力，但由于电极动力学的不匹配，在XFC过程中导致了严重的Li电镀（图2B）。由于高EA，正极释放的大锂离子通量超过了最大负极插层速率，导致锂沉积。因此，稳定的XFC只能在EA和EC同时降低的理想情况下实现，从而使电池可以快速充电和无锂电镀（图2C）。
基于这些见解，作者设计了一种概念验证电解质，使184 Wh kg−1软包电池10分钟充电到80%，在500次循环后，能量密度仅损失5.2%。此外，与商业技术相比，在快速充电期间，一个原型245 Wh kg−1高能21700电池的使用寿命延长了5倍（25分钟充电到80%）。
总之，目前的工作为开发减少充电时间的下一代电池铺平了新的道路，以满足人们越来越需要的交通运输、便携式电子产品等储能应用。
Yao, Y., Chen, X., Yao, N., Gao, J., Xu, G., Ding, J., Song, C., Cai, W., Yan, C. and Zhang, Q. (2022), Unlocking Charge Transfer Limitations for Extreme Fast Charging of Li-Ion Batteries. Angew. Chem. Int. Ed.. Accepted Author Manuscript. https://doi.org/10.1002/anie.202214828
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