具有富镍层状氧化物正极和石墨负极的锂离子电池已达到250-300 Wh kg-1的比能量，可以支持装配90 kWh电池组的电动汽车（EV）达到300英里的续航范围。不幸的是，由于原材料供应有限且成本较高，使用如此庞大的电池来缓解主流EV的里程焦虑是无效的。10分钟快充技术可以缩小EV电池的尺寸，且不会引起里程焦虑。然而，高能锂离子电池（超过250 Wh kg-1或高于4 mAh cm-2）的快速充电仍然是一个巨大的挑战。
为了应对上述挑战，来自宾夕法尼亚州立大学的Chao-Yang Wang等人将基于非对称热调制的电极材料与热稳定的双盐电解质相结合，使265 Wh kg-1的高能锂离子电池实现12（或11）分钟内达到75%（或70%）的充电状态，循环次数超过900（或2,000）次,这相当于50万英里范围内的每次充电都是快充。此外，本研究还构建了这种电池组的数字模型，以评估其冷却和安全性，并证明热调制4C充电技术只需要空气对流。相关论文以题为“Fast charging of energy-dense lithium-ion batteries”发表在Nature上。
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电池的快充技术必须同时通过三个指标进行评价:(1)充电时间、(2)比能量和(3)快速充电下的循环次数。电池的理想目标是在充电5分钟后可以获得240 Wh kg−1的能量，其中每次充电都是快速充电，且循环寿命超过2000次。其中，全固态锂金属电池(LMB)具有出色的能量密度和1000次的使用寿命，但它们的充电时间较慢；硅负极能较大提升电池的能量密度，但在快充过程中硅会发生严重的体积膨胀，导致硅负极电池的使用寿命只有20-30个月。
相比之下，本研究选择面积容量为3.4 mAh cm–2的LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2(NMC811)作为正极，电池的比能量达到265 Wh kg-1。此外，在快速充电前，采用热调制步骤将电池从室温加热到65°C以降低析锂风险。进一步通过将双盐电解质和更大孔隙率的负极相结合以改善离子传输，使电池在4C充电至70%SOC(约50万英里)时，可以持续约2000个循环。在所有报告的电池体系中，这是充电时间、获得的比能量以及循环寿命的最高组合。最后，作者还评估了热调制策略在电池组水平上对电池冷却和安全性的影响，并发现热调制4C充电只需要电池表面的底部和顶部进行空气对流，这能够满足本质安全和可靠的电池组设计。
图1.快充电池的优势图。综述了有关充电比能量随充电时间变化的文献研究，在给定的充电条件下，以气泡大小表示循环寿命。a，循环数大于800的电池。b，循环数小于800的电池。
图2.高能锂离子电池的ATM循环。a，在60°C恒定1C/1C循环来表征SEI降解。b，4.2 mAh cm−2电池的ATM快充。c，3.4 mAh cm−2电池的ATM快充。b和c中的实线表示实际的电池容量损失，而虚线表示SEI造成的容量损失。
图3.离子传递增强下的高能锂离子电池的快速充电。a，ATM循环下的电压和温度分布。b，快速充电下的容量保持率。c，快速充电后获得的比能量。
图4.150Ah棱镜电池12S1P包的电化学-热耦合模拟。a，电池结构、组件模型和吸气空气对流下的热条件。b，在4C充电-C/3放电循环过程中，150 Ah棱柱电池在三个代表性时间的瞬间三维温差轮廓。c，棱柱电池内最高和最低温度的演化。d，循环过程中电池电压的变化。
总的来说，本研究为电池到封装的开发提供了一种可靠且本质安全的途径。其中，仅在快充过程中产生高活性电化学界面的快速热调制方法，对于实现下一代材料(包括硅和金属锂等负极)的稳定和快速充电具有重要的潜力。
