10分钟快速充放，浙大电池新方案登《自然》

随着全球清洁能源革命的持续推进，锂离子电池凭借其高能量密度、长寿命、无记忆效应和低自放电率等优势，需求激增，呈现指数级增长。尤其在电动汽车领域，锂离子电池已成为绿色出行的时尚标志。



但不可否认，锂离子电池的充电速度、工作温度、安全性依旧是制约电动汽车进一步发展的瓶颈。



浙江大学材料科学与工程学院范修林研究员团队长期致力于锂离子电池研究。近期，该团队开发并验证了一套新型极端电解液设计原则，打破了传统的锂离子传输模式，并为具备特殊物化性质的电解液开辟了一条全新的研究途径。基于此理念，团队设计出一款新型电解液，不仅能够支持高比能锂离子电池在-70℃到60℃的超宽温区内进行可逆地充放电，还可以使得高能量密度锂离子电池在10分钟内完成快速充放电。



图片研究中的锂离子软包电池
这项研究于北京时间2月29日刊发在国际顶级期刊《自然》。论文第一作者为浙江大学陆迪博士研究生和李如宏研究员，通讯作者为范修林研究员、美国马里兰大学王春生教授和美国布鲁克海文国家实验室的胡恩源教授，并受到浙大陈立新教授、范利武长聘副教授、肖学章副教授以及中国科学院化学研究所王建平研究员和马里兰大学邓涛博士（现为上海交大中英低碳研究院副教授）的大力支持。浙大为第一单位和最后通讯单位。









锂电池快速充电及低温性能难点在哪里？




锂电池要实现快充，意味着在整个体系中锂离子都要实现快速的迁移。



目前认为，锂离子在电解液及电解液-电极界面膜中的迁移为整个过程中的速度控制步骤。而界面膜又是电解液原位生成的，与电解液的性质密切相关。



综合来讲，在锂离子电池中要实现快充的突破，电解液的特性至关重要。



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范修林科研团队



为此，范修林团队选择了从电解液这块“空白区”下手。当然这里的难度也是可想而知，要让锂离子电解液同时具备有效的电解液-电极界面膜、宽温域内高离子电导率和快速离子传输动力学，这对于此前已有研究的电解液来说都是不可能实现的。



这是因为电解液的高离子电导率需要溶剂具备高锂离子溶剂化能，而生成无机的电解液-电极界面膜需要电解液溶剂具有低锂离子溶剂化能，所以目前的电解液不可能同时实现高离子电导率和阴离子衍生的电解液-电极界面膜。



由此，范修林团队朝着“不可能”开展长达4年的研究。



室温快充仅需十分钟，低温性能还优异




面对几万种的溶剂，浙大团队首次建立了一套溶剂筛选原则，用于筛选宽温域内快速锂离子动力学的潜在溶剂，进而将23种目标材料，制作成电解液并应用于锂电池，展开实证研究。记者在实验室看到研究中的锂离子软包电池，如同一块块压缩饼干，却能展现出不同的功能效应。



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溶剂筛选策略。（a）溶剂化鞘体积与溶剂化能关系图；（b）溶剂化鞘体积与离子传输能垒关系图



在一次次实验中，浙大科研人员提出并验证了一种“配体通道促进传输”机制，建立了离子在电解液和固态电解质中传输的统一框架，最终确定了电解液的最佳配方。



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电解液中离子传输行为。（a）介质传输；（b）结构传输；（c）配体通道促进传输



相关测试数据表明，浙大提出的新型电解液在25℃室温下的离子电导率是商用电解液的4倍；在-70℃时高于商用电解液3个数量级以上。“在同等条件下，我们设计的锂离子电池，能够实现充电10分钟，达到八成充电量，展现出超快的离子传输行为。”快充性能优异，也意味着低温充放电性能较为优异，“在低温下我们的电池也能展现出良好的性能”。



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不同电解液的离子电导率。其中所筛选出的FAN电解液体系的离子电导率在整个温区（+60℃ — -70℃）都远高于其他体系



浙大电池，离新质生产力有多远？




谈及未来应用方向，范修林研究员认为当前电池成本还比较高，可以率先在极地科考、空间探测、海底勘探等极端温度情况中应用。





而随着电解液技术的不断攻关迭代，范修林研究员对新型锂离子电池装配到新能源汽车很有信心。“目前，我们团队已经与相关企业开展紧密合作。”



“我们的电解液设计原则不仅对极端工况下锂电池有效，随着研究的深入，我们发现其对钠离子电池和钾离子电池也十分有效。”范修林研究员说，“这也将让科研成果聚焦国民经济主战场，更好服务‘双碳’目标，推动能源绿色低碳发展。”