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(shí)在?？斐湓诠?jié)約了充電時(shí)間的同時(shí)，也會(huì)對(duì)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(huì)隨著充放電循環(huán)的增加而減小，當(dāng)持續(xù)充電且充電電流較大時(shí)，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(duì)應(yīng)起來。同時(shí)大電流充電，內(nèi)阻的增大會(huì)導(dǎo)致焦耳發(fā)熱效應(yīng)加劇(Q=I2Rt)，帶來副反應(yīng)，如電解液的反應(yīng)分解、產(chǎn)氣等一系列問題，危險(xiǎn)系數(shù)驟然增加，對(duì)電池安全性產(chǎn)生影響，非功率型電池的壽命必然會(huì)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(fù)極的過程。正極材料的粒徑能影響電池電化學(xué)過程中的響應(yīng)時(shí)間、離子的擴(kuò)散路徑等，據(jù)研究隨著材料的晶粒尺寸減少，鋰離子的擴(kuò)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(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的顆粒團(tuán)聚、造成分散不均勻，同時(shí)納米顆粒會(huì)降低極片的壓實(shí)密度，并在充放電過程中與電解液接觸面積增多副反應(yīng)，影響電池的性能。

 

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

 

 

 

02

 

負(fù)極材料

 

    

 

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

 

對(duì)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(huì)在表面析出形成枝晶鋰。枝晶鋰刺破SEI，會(huì)造成Li+二次損耗，降低電池容量。當(dāng)鋰金屬達(dá)到一定量后就會(huì)從負(fù)極向隔膜生長，造成電池短路的危險(xiǎn)。

 

對(duì)于LTO來講，其本身屬于“零應(yīng)變性”的含氧負(fù)極材料，在電池工作時(shí)不會(huì)產(chǎn)生SEI，其與鋰離子的結(jié)合能力更強(qiáng)，能夠滿足快充快放的要求。同時(shí)也正是因?yàn)闊o法形成SEI，負(fù)極材料會(huì)與電解液直接接觸，促進(jìn)了副反應(yīng)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(huì)存在較大的極化。那么為了盡量減少電池極化引起的負(fù)面反應(yīng)，需要從下面三點(diǎn)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(fù)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(fù)極材料、電極液等三個(gè)關(guān)鍵材料分析了快充對(duì)其的要求和影響，下面來講影響比較大的工藝設(shè)計(jì)。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(duì)于鋰離子電池性能的發(fā)揮具有重要的影響。

 

（1）漿料

 

對(duì)于漿料的性質(zhì)，一方面是要保持導(dǎo)電劑的均勻分散。因?yàn)閷?dǎo)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(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，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(dòng)速率。另一方面是防止導(dǎo)電劑的過分散。在充放電過程中，正負(fù)極材料晶體結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變化，可能造成導(dǎo)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(fù)極極片面密度較低時(shí)，可以增大鋰離子的擴(kuò)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(duì)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(huì)降低電池能量密度，成本升高，所以需要對(duì)面密度綜合考慮。下圖是個(gè)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(duì)電池會(huì)有影響嗎？這里順便說一下，對(duì)于快充性能來講，主要是負(fù)極極片的一致性。如果負(fù)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(huì)存在較大差異。孔隙率的差異會(huì)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(shí)密度

 

極片為什么要壓實(shí)？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(shí)密度也不同。提高壓實(shí)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(dāng)壓實(shí)密度過大時(shí)，電解液浸潤效果不好，可能會(huì)破壞材料結(jié)構(gòu)和導(dǎo)電劑分布，后期會(huì)出現(xiàn)卷繞問題。同樣是鈷酸鋰電池6C充電1C放電，壓實(shí)密度對(duì)放電比容量的影響如下圖：