有人說，鋰電池充電就像倒啤酒，速度快，裝滿啤酒的速度也快，但是泡沫很多。倒的慢，速度慢，但是啤酒多，很實在?？斐湓诠?jié)約了充電時間的同時，也會對電池本身有較大的破壞。由于電池中存在極化現(xiàn)象，其能夠接受的最大充電電流會隨著充放電循環(huán)的增加而減小，當持續(xù)充電且充電電流較大時，電極處的離子濃度升高，極化加劇，電池端電壓無法與充入的電量/能量直接線性比例地對應起來。同時大電流充電，內(nèi)阻的增大會導致焦耳發(fā)熱效應加劇(Q=I2Rt)，帶來副反應，如電解液的反應分解、產(chǎn)氣等一系列問題，危險系數(shù)驟然增加，對電池安全性產(chǎn)生影響，非功率型電池的壽命必然會大幅縮短。

 

 

 

01

 

正極材料

 

       

 

鋰電池快充的過程，就是正極材料中Li+快速遷移嵌入負極的過程。正極材料的粒徑能影響電池電化學過程中的響應時間、離子的擴散路徑等，據(jù)研究隨著材料的晶粒尺寸減少，鋰離子的擴散系數(shù)增大。但是，隨著材料顆粒尺寸減小，在生產(chǎn)中制漿就會出現(xiàn)嚴重的顆粒團聚、造成分散不均勻，同時納米顆粒會降低極片的壓實密度，并在充放電過程中與電解液接觸面積增多副反應，影響電池的性能。

 

比較靠譜的方法是對正極材料進行包覆改性，例如LFP本身導電性就不太好，對其進行表面包覆碳材料或其它材料后可以提高其導電性，有利于提高電池的快速充電性能。

 

 

 

02

 

負極材料

 

    

 

鋰電池快充即意味著鋰離子快速脫出并“游向”負極，這時候就需要負極材料具有快速的嵌鋰能力。用于鋰電池快充的負極材料包括碳材料、鈦酸鋰及其它的一些新型材料。

 

對于碳材料來講，由于嵌鋰電位和鋰析出的電位差不多，常規(guī)充電的情況下一般是鋰離子優(yōu)先嵌入石墨，但是在快充或低溫條件下，鋰離子可能會在表面析出形成枝晶鋰。枝晶鋰刺破SEI，會造成Li+二次損耗，降低電池容量。當鋰金屬達到一定量后就會從負極向隔膜生長，造成電池短路的危險。

 

對于LTO來講，其本身屬于“零應變性”的含氧負極材料，在電池工作時不會產(chǎn)生SEI，其與鋰離子的結(jié)合能力更強，能夠滿足快充快放的要求。同時也正是因為無法形成SEI，負極材料會與電解液直接接觸，促進了副反應的發(fā)生，LTO電池產(chǎn)氣的問題遲遲無法解決，只能通過表面改性的方式得以緩解。

 

 

 

03

 

電極液

 

       

 

前面也說到，快充過程中由于鋰離子遷移速度和電子傳輸速率不一致，電池會存在較大的極化。那么為了盡量減少電池極化引起的負面反應，需要從下面三點將是電解液的研發(fā)方向：1、高解離度電解質(zhì)鹽；2、溶劑復合-粘度更低；3、界面控制-膜阻抗更低。

 

 

 

04

 

生產(chǎn)工藝與快充的關(guān)系

 

       

 

之前分別從正負極材料、電極液等三個關(guān)鍵材料分析了快充對其的要求和影響，下面來講影響比較大的工藝設(shè)計。電池制作工藝參數(shù)直接影響電池活化前后鋰離子在電池各部分中的遷移阻力，因此電池制備工藝參數(shù)對于鋰離子電池性能的發(fā)揮具有重要的影響。

 

（1）漿料

 

對于漿料的性質(zhì)，一方面是要保持導電劑的均勻分散。因為導電劑在活性物質(zhì)顆粒之間分布均勻，在活性物質(zhì)之間、活性物質(zhì)與集流體之間可形成較均勻的導電網(wǎng)絡，具有收集微電流的作用，降低接觸電阻，可以提高電子的移動速率。另一方面是防止導電劑的過分散。在充放電過程中，正負極材料晶體結(jié)構(gòu)會發(fā)生變化，可能造成導電劑的剝離脫落，使電池內(nèi)阻升高，影響性能。

 

（2）極片面密度

 

理論上來講，倍率型電池與高容量電池不可兼得。正負極極片面密度較低時，可以增大鋰離子的擴散速度，降低離子和電子遷移阻力。面密度越低，極片越薄，在充放電中鋰離子不斷的嵌入與脫出對極片結(jié)構(gòu)造成的變化也越小。但是面密度過低的話，就會降低電池能量密度，成本升高，所以需要對面密度綜合考慮。下圖是個鈷酸鋰電池6C充電1C放電的例子，可以看看：

 

 

 

（3）極片涂布一致性

 

之前有朋友問到，極片面密度不一致對電池會有影響嗎？這里順便說一下，對于快充性能來講，主要是負極極片的一致性。如果負極面密度不一致，經(jīng)過輥壓之后，活物質(zhì)的內(nèi)部孔隙率就會存在較大差異。孔隙率的差異會引起內(nèi)部電流分布的差異，在電池化成階段影響SEI的形成及性能，最終影響電池快充性能。

 

（4）極片壓實密度

 

極片為什么要壓實？一是提高電池比能量，二是提高電池性能。電極材料不同，最佳壓實密度也不同。提高壓實密度，電極極片的孔隙率越小，顆粒之間連接的越緊密，相同的面密度下極片的厚度越小，因此可減小鋰離子的遷移路徑。當壓實密度過大時，電解液浸潤效果不好，可能會破壞材料結(jié)構(gòu)和導電劑分布，后期會出現(xiàn)卷繞問題。同樣是鈷酸鋰電池6C充電1C放電，壓實密度對放電比容量的影響如下圖：

 

 

 

 

 

 

05

 

化成老化及其它

 

       

 

對碳負極電池來講，化成-老化是鋰電池的關(guān)鍵工藝，此過程會影響SEI的質(zhì)量。SEI厚度不均勻或結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，會影響電池快充能力和循環(huán)壽命。

 

除了以上幾個重要因素外，電芯制作、充放電制度都會對鋰電池性能有較大影響。隨著使用時間延長，應適度降低電池充電倍率，否則會加劇極化。