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歐陽明高：從材料到系統(tǒng)鋰離子電池快充技術(shù)全面總結(jié)

發(fā)布時(shí)間：2019.10.24

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隨著動(dòng)力電池能量密度的不斷提升和成本的不斷降低，電動(dòng)汽車的續(xù)航里程也在不斷增加，今年推出的電動(dòng)汽車的續(xù)航里程普遍超過400km，部分中高端車型續(xù)航里程達(dá)到500km以上，基本上滿足日常通勤需求。因此充電速度也就成為了新能源汽車推廣應(yīng)用的主要障礙，縮短充電時(shí)間能夠更好的提升電動(dòng)汽車的使用體驗(yàn)，對于推廣電動(dòng)汽車具有重要的意義。

減少電動(dòng)汽車的充電時(shí)間通常有兩種措施：

1）一種是通過提升充電速度，縮短充電所需的時(shí)間，這也是目前多數(shù)新能源汽車所采用的策略；

2）第二種是通過更換電池組的方式將空電的電池組快速更換為滿電電池組，這種策略通常會(huì)應(yīng)用在出租車等營運(yùn)車輛上。

提升充電速度雖然會(huì)帶來充電時(shí)間上的縮短，但是過高的充電速度也會(huì)導(dǎo)致電池的衰降速度加快，影響電動(dòng)汽車的使用壽命。近日，英國帝國理工大學(xué)的Anna Tomaszewska（第一作者，通訊作者）、XuningFeng（通訊作者）和清華大學(xué)的歐陽明高院士等從材料層面到系統(tǒng)層面全方位的對鋰離子電池快充的影響因素、衰降機(jī)理和解決方法進(jìn)行了回顧和綜述。

鋰離子電池主要由正極、負(fù)極、隔膜和電解液等部分構(gòu)成，在充電的過程中Li+從正極脫出，經(jīng)過電解液擴(kuò)散到負(fù)極，因此整個(gè)過程中可能影響鋰離子電池充電速度的因素主要有3個(gè)：

1）Li+在固相中的擴(kuò)散；

2）Li+在固/液界面反應(yīng)；

3）Li+在電解液中的擴(kuò)散，包括溶劑化和去溶劑化。

在快速充的過程中正極衰降和正極界面膜（CEI）的生長通常不是限制因素，而負(fù)極由于動(dòng)力學(xué)條件相對比較差，因此在快速充電的過程中容易發(fā)生析鋰，進(jìn)而減少負(fù)極可供Li+嵌入的有效面積，造成電池性能的劣化。

快充對壽命衰降的影響

快充導(dǎo)致的熱量對電池的影響

快充會(huì)導(dǎo)致鋰離子電池內(nèi)部產(chǎn)熱，鋰離子電池的產(chǎn)熱主要有可逆熱和不可逆熱兩種，其中不可逆熱如下式所示，其中U為電池的開路電壓，V為電池電壓，I為電流

在上述的不可逆熱中有相當(dāng)一部分來自電池的歐姆阻抗產(chǎn)熱，如下式所示，其產(chǎn)熱量與電流的平方成正比，因此在快充的過程中電池會(huì)產(chǎn)生更多的歐姆熱。

電池充電過程中的可逆熱則主要來自于電池中的熵變，根據(jù)電池的熵變可以計(jì)算電池的可逆熱

相關(guān)研究表明在較低的倍率下可逆熱是電池?zé)崃康闹饕獊碓矗谳^高的倍率電池的不可逆熱則是電池的主要來源，而電池的溫度對于鋰離子電池的壽命具有顯著的影響，因此鋰離子電池在快充過程引起的電池溫度變化對于鋰離子電池的壽命具有重要的影響。

鋰離子電池按照結(jié)構(gòu)和形狀主要可以分為三類：

1）圓柱形；

2）方形；

3）軟包，不同的結(jié)構(gòu)的電池在不同的方向上具有不同的散熱效率，例如對于圓柱形電池在直徑方向上由于隔膜等導(dǎo)熱效果較差的材料存在，因此電池內(nèi)部溫度較高的位置主要集中的電芯的中間位置，而對于方形電池和軟包電池由于極耳位置的電流密度比較大，因此高溫區(qū)域也主要集中在電池靠近極耳的位置，而且靠近正極極耳的位置通常也會(huì)比靠近負(fù)極極耳位置的溫度更高。

電池內(nèi)部的溫度分布不均會(huì)造成電池內(nèi)部電流分布的不均，同時(shí)極耳位置設(shè)計(jì)不合理也容易產(chǎn)生電流分布不均的現(xiàn)象，電流分布不均容易導(dǎo)致電池在充放電的過程中發(fā)生局部的過充或過放，以及副反應(yīng)速度的不一致，進(jìn)而導(dǎo)致電池內(nèi)部衰降速度的不一致。溫度分布的不均不僅僅發(fā)生在電池層面，在系統(tǒng)層面由于電池模組中單體電池的排列，冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)等因素也會(huì)導(dǎo)致不同單體電池之間存在明顯的溫度梯度。過高的溫度在正極一側(cè)會(huì)加劇粘結(jié)劑分解、不可逆相變和過渡金屬元素的溶解等問題，而負(fù)極一側(cè)則面臨SEI膜生長加速，從而消耗電池內(nèi)部有限的活性Li，導(dǎo)致電池不可逆的容量損失，并引起電池產(chǎn)氣。