最近一段時間，維科網鋰電已經相繼推出3篇關于鋰電快充的文章，感興趣的讀者可以在公眾號中搜索并再次閱讀，分別是《鋰離子電池快充問題，這篇文章總結全了！》、《快充技術也許是實現車輛全面電動化的關鍵》、《固態電池快充問題到底如何解決？》。今天，我們再次通過專業性的論文討論快充問題，不過這次的主題是鋰離子電池快充負極材料。

研究背景

隨著國家雙碳政策的推出以及鋰電技術的快速發展，以鋰離子電池（LIB）為動力的電動汽車（EV）和插電式混合動力汽車（PHEV）等備受關注，并呈現爆發式增長的趨勢。下圖是2012-2021年全球電動汽車銷量及發展趨勢

圖片來源：Advanced Functional Materials

盡管在續航里程和降低成本方面取得了快速發展，但目前電動汽車的消費者接受度和市場滲透率還不是很高。其中一個主要原因是電動汽車充電時間較長。此外，由于電池能量密度短期內難以大幅提升，發展具有快充能力的鋰離子電池成為進一步推動電動汽車市場化的有效手段。

常用的石墨具有較差的電化學動力學和較低的工作電位（0.1 V vs Li/Li+），在高充電倍率（＞1C）下會出現嚴重問題，例如：機械裂紋、與電解質的副反應、陽極極化導致析鋰和發熱現象，從而導致性能下降和安全問題。因此，設計快充鋰離子電池的關鍵挑戰之一是構建高倍率和優異安全性的負極材料。

快充鋰離子電池的主要挑戰（圖片來源：Advanced Functional Materials）

工作簡介

本篇綜述，作者從三個方面總結了鋰離子電池快充負極材料的現狀。首先介紹了LIBs快充負極的關鍵影響因素，為鋰離子電池快充設計提供了指導。其次，詳細回顧了快充負極材料的研究現狀和最新進展。具體來說，總結了各種快充負極材料的內在結構、儲鋰機制以及進一步提高倍率性能的策略。最后，討論了快充負極材料的巨大挑戰和未來發展方向。

圖片來源：Advanced Functional Materials

內容詳情

快充負極材料的影響因素

鋰離子電池在充電過程中的7個過程：1. Li+在層狀氧化物正極中的擴散；2. Li+通過正極/電解質界面（CEI）擴散；3.  Li+在CEI/電解質界面被溶劑化；4. 溶劑化Li+在電解質中擴散，； 5. Li+在電解質/AEI（負極/電解質界面）界面處去溶劑；6. Li+穿過AEI進入石墨內部；7. Li+在石墨中的擴散，伴隨著石墨晶格重排。

快充的限制因素一般分為兩個方面：一種是質量傳遞，包括Li+在電解質和電極材料中的傳遞；另一種是電荷轉移，涉及Li+的溶劑化/去溶劑化以及Li+的CEI 和 AEI 擴散。

負極側，確保鋰離子在負極中的快速擴散和降低負極/電解質界面動力學勢壘是實現快充的關鍵挑戰。如果Li+傳輸動力學不能滿足快速充電的要求，負極上的極化會導致析鋰，從而降低循環壽命，甚至出現安全問題。

Li+和電子在固體電極和界面中的遷移速率很大程度上取決于電極和界面的電子和離子電導率。因此，提高負極側的電子電導率和離子電導率以及促進鋰離子在負極/電解質的SEI層中的傳輸是尤為關鍵。

根據文獻總結的各種快充負極材料的電導率和Li+擴散系數（圖片來源：Advanced Functional Materials）

快充負極材料

根據儲能機理，快充負極材料可分為插層型、轉化型和合金型三種。插層材料主要包括碳材料（如石墨）、插層過渡金屬氧化物（如Ti基氧化物、Nb基氧化物等）。轉化型材料在充放電過程中會發生可逆的氧化還原反應，涉及過渡金屬（Fe、Co、Ni、Mn、Mo、V、Cu）氧化物和部分過渡金屬（Mo、Fe、W、V）二硫化物。合金類材料主要包含位于IVA和VA族的金屬（Sn、Sb、Bi 等）和半金屬（Si、Ge 和 P），它們可以與鋰離子合金化以提供比傳統碳材料更高的比容量。

此外，一些快充的負極材料具有不止一種電荷存儲機制。例如，軟/硬碳在充放電過程中經歷Li+嵌入、微孔填充和表面吸附過程，而一些過渡金屬二硫化物（如SnS2）在充放電過程中經歷兩步轉化和合金化過程。

元素周期表中構成快充負極材料的元素（圖片來源：Advanced Functional Materials）

快充負極材料的相關結構（圖片來源：Advanced Functional Materials）

論文的該部分是按照上圖的分類對已報道的文獻進行了綜述，在此不再具體呈現，感興趣的讀者可點擊文末鏈接下載閱讀原文。

總結與展望

本文作者總結了鋰離子電池快充負極的現狀，重點介紹了促進各種負極材料鋰離子擴散動力學的策略，如結構設計、形貌調控、表/界面改性以及形成多相體系。下圖對各種快充負極材料進行了性能對比，涉及快充能力、循環壽命、比容量、安全性、成本以及工作電壓。

圖片來源：Advanced Functional Materials

在推動快充負極材料的開發方面已經取得了許多實質性進展。然而，仍有許多問題和障礙需要解決，如：開發具有快速動力學的新型負極材料、材料合成方法、SEI的改善、快充負極機理的深入探究、安全性、電極結構和電池裝置的改進。

附：

參考文獻

Li S, Wang K, Zhang G, et al. Fast Charging Anode Materials for Lithium‐Ion Batteries: Current Status and Perspectives[J]. Advanced Functional Materials, 2022: 2200796.

文獻鏈接

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/adfm.202200796

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