如何快速安全為鋰離子電池充電？
來源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-10-24 10:34
點(diǎn)擊量：次
充電策略對(duì)于鋰離子電池的衰降具有重要的影響，因此合適的充電策略不但能夠?qū)崿F(xiàn)快速充電，還能夠?qū)⒖斐鋵?duì)電池的負(fù)面影響降到最低。近日美國(guó)奧本大學(xué)的Minseok Song（第一作者）和Song-Yul Choe（通訊作者）通過降階電化學(xué)模型對(duì)鋰離子電池的充電策略進(jìn)行了研究。
鋰離子電池的衰降機(jī)理比較復(fù)雜，在該模型中作者主要包含了兩類；1）電解液在負(fù)極表面的分解（如下式所示），生成Li2CO3和（CH2OCO2Li）2等成分，在負(fù)極表面形成SEI膜；2）金屬Li在負(fù)極表面析出，這一方面會(huì)消耗活性Li，另一方面也會(huì)導(dǎo)致負(fù)極的活性面積降低。
電極-電解液界面處的電化學(xué)反應(yīng)可以用Butlrt-Volmer方程進(jìn)行表述，其中as,int為嵌入反應(yīng)的面積，ηint為顆粒表面的過電位，i0,int為交換電流密度，
顆粒表面的過電位可以用下式進(jìn)行表述，其中φs和φe分別為電極表面和電解液的電位，Ueq,int為平衡電位，JLitotal為界面總的反應(yīng)速度，包含嵌鋰反應(yīng)、界面副反應(yīng)和負(fù)極析鋰等。
對(duì)于電極界面副反應(yīng)，我們?nèi)匀豢梢圆捎肂utlrt-Volmer方程進(jìn)行表述，
由于界面副反應(yīng)不可逆，并且還原分解占主導(dǎo)地位，因此上式10也可以改寫為下式所示形式
同樣的負(fù)極析鋰的過程也可以采用Butlrt-Volmer方程進(jìn)行表述，金屬Li在負(fù)極表面析出主要是因?yàn)樨?fù)極表面的過電勢(shì)比較大，因此負(fù)極對(duì)Li電位低于0V，導(dǎo)致負(fù)極析鋰。
負(fù)極析鋰反應(yīng)的過電勢(shì)可以用下式進(jìn)行表述，
因此鋰離子電池在使用的過程由于SEI膜的持續(xù)生長(zhǎng)和負(fù)極表面析鋰引起的活性Li的損失就可以通過對(duì)兩種副反應(yīng)速度進(jìn)行積分的方式獲得，如下式所示。
根據(jù)上述模型，并進(jìn)行降階處理后，作者對(duì)一個(gè)39Ah的大尺寸軟包電池進(jìn)行了模擬，電池按照2C倍率恒流充電至4.2V，然后恒壓充電至電流下降到C/40，然后以1C倍率恒流放電至電流下降到3.0V，循環(huán)過程中電池容量保持率與循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系如下圖a所示，放電過程中的電壓曲線變化如下圖b所示。從圖中我們能夠看到這一模型很好的模擬了鋰離子電池在循環(huán)過程中的衰降，兩者之間的誤差小于1%。
根據(jù)模型，作者分析了循環(huán)過程中容量損失的來源，從圖中能夠看到在循環(huán)過程中主要的容量損失來自于副反應(yīng)造成的活性Li的損失，直到循環(huán)300次以后才開始出現(xiàn)析鋰。
