如何让锂电池更长寿？

锂电池在使用过程中会产生枝晶，枝晶断裂不仅会导致电池容量衰减，寿命打折，还可能刺透隔膜使电池短路起火引发安全问题。南开大学梁嘉杰、陈永胜教授课题组与江苏师范大学赖超课题组合作提出了解决这一问题的新优化策略，成功制备了具有多级结构的银纳米线—石墨烯三维多孔载体，并负载金属锂作为复合负极材料。这一载体可抑制锂枝晶产生，从而可实现电池超高速充电，有望大幅延长锂电池“寿命”。该研究成果在最新一期《先进材料》上发表。

近年来，世界各国有不少相关研究在锂负极材料的设计合成上取得重要突破，但至今仍无法抑制金属锂在大电流密度充放电下枝晶产生以及电极体积膨胀的问题，因此锂电池的长寿命、大容量“快充快放”依然难以逾越。

“把金属锂沉积到具有三维网络结构的多孔集流体中构建金属锂复合负极材料，是目前解决上述困难的有效途径之一。”梁嘉杰介绍说。基于此认识，课题组首次提出实现超高电流密度及超长循环寿命的理想金属锂负极三维载体材料选择及优化策略。他们利用石墨烯宏观体三维网络作为机械骨架，银纳米线二维网络作为导电结构，通过低成本、与工业化生产相兼容的涂布—冷干法，制备具有多级结构的银纳米线—石墨烯三维多孔载体，并负载金属锂作为金属锂复合负极材料。

经测试，该金属锂复合负极材料的比容量可达2573mAh/g；对称电池测试中，首次实现了在极高电流密度40mAh/cm2下反复充放电1000周以上，并且过电势低于120毫伏。通过电镜观察可以看到，该多级三维结构载体即使在极大电流充放电的循环条件下，仍能成功抑制金属锂负极中锂枝晶生长以及电极体积变化。锂离子电池在存储过程中负极长时间的处于较低的电势，会引起电解液在负极表面持续的分解，电池的SoC和环境温度等因素都会影响电解液在负极表面的分解速度，从而对电池在存储过程中可逆容量的衰降速度产生显著的影响。近日德国慕尼黑理工大学的Peter Keil（第一作者，通讯作者）和Jörn Wilhelm（通讯作者）对三种不同正极材料的18650电池在不同SoC状态下的存储衰降进行了分析，研究表明锂离子电池的存储衰降并非与SoC状态呈现正比关系，而是存在一个平台，在这个平台范围内不同SoC状态的电池的可逆容量衰降是相同的，对衰降机理研究表明存储过程中电解液在石墨负极表面分解消耗活性Li是导致锂离子电池在存储过程中可逆容量损失的主要因素。

在实验中，Peter Keil共对三种18650电池的存储寿命衰降进行了研究分析，三种电池的都采用石墨作为负极，正极分别采用NCA、NCM和LFP，电池的详细信息如下表所示。实验中为了分析SoC状态对电池存储寿命的影响，作者选择了0%、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%和5%、45%、55%、65%、95%一共16个SoC点，存储温度分别选择了25℃、40℃和50℃三个点。

 

对比三种电池我们可以看到NCA材料的电池在存储性能上明显好于LFP和NCM体系电池。NCM体系的电池在存储的过程中对于温度和SoC更为敏感，如果存储温度超过50℃，SoC超过70%，那么NCM体系的电池的容量衰降速度要明显快于NCA电池和LFP电池，特别是在100%SoC时NCM电池的可逆容量衰降发生突然加速，衰降速度要远远大于SoC为95%的电池。从存储过程中电池内阻增加的状况来看，锂离子电池内阻的增加受温度的影响很大，对于NCA和NCM电池而言，电池内阻的增加随着存储SoC状态的提高而显著增加。