充電的微觀過程

 

鋰電池被稱為搖椅電池。帶電荷的離子在正負(fù)極之間移動(dòng)以轉(zhuǎn)移電荷，向外部電路供電或從外部電源充電。在特定的充電過程中，外部電壓被加載在電池的兩極上，鋰離子從正極材料中分離出來進(jìn)入電解液。同時(shí)，多余的電子通過陰極集電極產(chǎn)生，并通過外部電路移動(dòng)到負(fù)極；鋰離子在電解液中從正極移動(dòng)到負(fù)極，通過隔膜移動(dòng)到負(fù)極；負(fù)電極表面的sei膜嵌入到負(fù)電極的石墨層結(jié)構(gòu)中，并與電子結(jié)合。

 

在離子和電子的作用過程中，電池的結(jié)構(gòu)，無論是電化學(xué)的還是物理的，都會(huì)影響電池的快速充電性能。

 

快速充電，電池部件要求

 

對(duì)于電池而言，要提高電池的動(dòng)力性能，必須從電池的各個(gè)方面，包括正極、負(fù)極、電解液、隔膜和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行努力。

 

 

正極

 

事實(shí)上，幾乎所有的陰極材料都可以用來制造快速充電電池。需要保證的主要性能包括導(dǎo)電性（降低內(nèi)阻）、擴(kuò)散性（保證反應(yīng)動(dòng)力學(xué)）、壽命（無解釋）、安全性（無解釋）、適當(dāng)?shù)募庸ば阅埽ū缺砻娣e不太大、減少副反應(yīng)、使用安全）。當(dāng)然，對(duì)于每一種特定的材料，可能在需要解決的問題上有一些差異，但是普通的陰極材料通過一系列的優(yōu)化可以滿足這些要求，但是不同的材料也有一些差異：

 

a.磷酸鐵鋰可能更注重解決導(dǎo)電性和低溫問題。碳涂層、適度的納米化（注意，適度，絕對(duì)不是簡(jiǎn)單的邏輯越細(xì)越好）、以及粒子表面形成離子導(dǎo)體是最典型的策略。

 

b.三元材料具有良好的導(dǎo)電性，但其反應(yīng)活性太高，因此對(duì)三元材料的納米化研究很少（納米化并不是改善材料性能的靈丹妙藥，特別是在電池領(lǐng)域，有時(shí)會(huì)有很多反應(yīng)）。更多的注意安全和抑制副反應(yīng)（與電解質(zhì)）。畢竟，目前三元材料是主要材料之一。生命之門在于安全。近期頻發(fā)的電池安全事故也對(duì)這方面提出了更高的要求。

 

c、錳酸鋰對(duì)生命更為重要，目前市場(chǎng)上有很多錳酸鋰快速充電電池。

 

 

負(fù)極

 

當(dāng)鋰離子電池充電時(shí)，鋰遷移到負(fù)極?？焖俪潆姾痛箅娏饕鸬倪^電位會(huì)導(dǎo)致負(fù)電位。此時(shí)，鋰的快速接受壓力增大，鋰枝晶的形成趨勢(shì)增大。因此，在快速充電時(shí)，負(fù)極不僅要滿足鋰擴(kuò)散的動(dòng)態(tài)要求，而且要解決鋰枝晶形成趨勢(shì)增強(qiáng)所帶來的安全問題。所以快速充電核心的主要技術(shù)難點(diǎn)實(shí)際上是鋰離子。負(fù)極嵌入。

 

目前，石墨仍是市場(chǎng)上的主要負(fù)極材料（約占市場(chǎng)份額的90%）。最基本的原因是沒有其他便宜的了（你厭倦了每天昂貴的電池，感嘆?。┮约笆木C合加工性能和能量密度都比較優(yōu)秀，缺點(diǎn)相對(duì)較少。石墨陽(yáng)極也有問題。石墨陽(yáng)極表面對(duì)電解液敏感，鋰的插層反應(yīng)具有很強(qiáng)的方向性。因此，對(duì)石墨進(jìn)行表面處理以提高其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和促進(jìn)鋰離子在基體上的擴(kuò)散是目前研究的主要方向。

A、目前市場(chǎng)上占有統(tǒng)治地位的負(fù)極材料仍然是石墨(占市場(chǎng)份額的90%左右)，根本原因無他——便宜(你們天天嫌電池貴，嘆號(hào)！)，以及石墨綜合的加工性能、能量密度方面都比較優(yōu)秀，缺點(diǎn)相對(duì)較少。石墨負(fù)極當(dāng)然也有問題，其表面對(duì)于電解液較為敏感，鋰的嵌入反應(yīng)帶有強(qiáng)的方向性，因此進(jìn)行石墨表面處理，提高其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，促進(jìn)鋰離子在基上的擴(kuò)散是主要需要努力的方向。

B、硬碳和軟碳類材料近年來也有不少的發(fā)展：硬碳材料嵌鋰電位高，材料中有微孔因此反應(yīng)動(dòng)力學(xué)性能良好；而軟碳材料與電解液相容性好，MCMB材料也很有代表性，只是硬軟碳材料普遍效率偏低，成本較高(而且想像石墨一樣便宜恐怕從工業(yè)角度上看希望不大)，因此目前用量遠(yuǎn)不及石墨，更多用在一些特種電池上。

C、有人會(huì)問筆者鈦酸鋰如何。簡(jiǎn)單說一下：鈦酸鋰的優(yōu)點(diǎn)是功率密度高，較安全，缺點(diǎn)也明顯，能量密度很低，按Wh計(jì)算成本很高。因此作者對(duì)于鈦酸鋰電池的觀點(diǎn)一直是：是一種有用的在特定場(chǎng)合下有優(yōu)勢(shì)的技術(shù)，但是對(duì)于很多對(duì)成本、續(xù)航里程要求較高的場(chǎng)合并不太適用。

D、硅負(fù)極材料是重要的發(fā)展方向，松下的新型18650電池已經(jīng)開始了對(duì)此類材料的商用進(jìn)程。但是如何在納米化追求性能與電池工業(yè)對(duì)于材料的一般微米級(jí)的要求方面達(dá)到一個(gè)平衡，仍是比較有挑戰(zhàn)性的工作。

 

隔膜

對(duì)于功率型電池，大電流工作對(duì)其安全、壽命上提供了更高的要求。隔膜涂層技術(shù)是繞不開的，陶瓷涂層隔膜因?yàn)槠涓甙踩⒖梢韵碾娊庖褐须s質(zhì)等特性正在迅速推開，尤其對(duì)于三元電池安全性的提升效果格外顯著。陶瓷隔膜目前主要使用的體系是把氧化鋁顆粒涂布在傳統(tǒng)隔膜表面，比較新穎的做法是將固態(tài)電解質(zhì)纖維涂在隔膜上，這樣的隔膜的內(nèi)阻更低，纖維對(duì)于隔膜的力學(xué)支撐效果更優(yōu)，而且在服役過程中其堵塞隔膜孔的傾向更低。涂層以后的隔膜，穩(wěn)定性好，即使溫度比較高，也不容易收縮變形導(dǎo)致短路，清華大學(xué)材料學(xué)院南策文院士課題組技術(shù)支持的江蘇清陶能源公司在此方面就有一些代表性的工作，

電解液

電解液對(duì)于快充鋰離子電池的性能影響很大。要保證電池在快充大電流下的穩(wěn)定和安全性，此時(shí)電解液要滿足以下幾個(gè)特性：A)不能分解，B)導(dǎo)電率要高，C)對(duì)正負(fù)極材料是惰性的，不能反應(yīng)或溶解。如果要達(dá)到這幾個(gè)要求，關(guān)鍵要用到添加劑和功能電解質(zhì)。比如三元快充電池的安全受其影響很大，必須向其中加入各種抗高溫類、阻燃類、防過充電類的添加劑保護(hù)，才能一定程度上提高其安全性。而鈦酸鋰電池的老大難問題，高溫脹氣，也得靠高溫功能型電解液改善。

 

電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

典型的一個(gè)優(yōu)化策略就是疊層式VS卷繞式，疊層式電池的電極之間相當(dāng)于是并聯(lián)關(guān)系，卷繞式則相當(dāng)于是串聯(lián)，因此前者內(nèi)阻要小的多，更適合用于功率型場(chǎng)合。另外也可以在極耳數(shù)目上下功夫，解決內(nèi)阻和散熱問題。此外使用高電導(dǎo)的電極材料、使用更多的導(dǎo)電劑、涂布更薄的電極也都是可以考慮的策略。

總之，影響電池內(nèi)部電荷移動(dòng)和嵌入電極孔穴速率的因素，都會(huì)影響鋰電池快速充電能力。