快充電池對(duì)于電池各部分的要求是什么？
來(lái)源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-10-16 16:22
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對(duì)快速充電電池有什么要求？
如果電池想快速充電，其與電源相關(guān)的性能要求會(huì)更高。對(duì)于電池來(lái)說(shuō)，要想提高動(dòng)力性能，需要在電池的各個(gè)方面下功夫，包括正極、負(fù)極、電解液、隔膜和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。
這是開(kāi)啟快速充電技術(shù)，確保電池安全可靠的正確途徑（一）
鋰離子電池電化學(xué)原理圖
1）正極
事實(shí)上，幾乎所有的正極材料都可以用來(lái)制造快速充電電池。要保證的主要性能包括導(dǎo)電性（降低內(nèi)阻）、擴(kuò)散性（確保反應(yīng)動(dòng)力學(xué)）、壽命（無(wú)解釋）、安全性（無(wú)解釋）、適當(dāng)?shù)募庸ば阅埽ū缺砻娣e不應(yīng)太大，以減少副反應(yīng)和服務(wù)安全）。當(dāng)然，每種具體材料需要解決的問(wèn)題可能不同，但普通的陰極材料通過(guò)一系列的優(yōu)化可以滿足這些要求，但不同的材料也是不同的：
a.磷酸鐵鋰可能更注重解決導(dǎo)電性和低溫問(wèn)題。粒子表面處理是形成離子導(dǎo)體最典型的方法。企業(yè)的相關(guān)文獻(xiàn)和研究成果很多。在國(guó)內(nèi)，catl和比亞迪在磷酸鐵鋰的優(yōu)化方面各有特點(diǎn)。
b.三元材料本身導(dǎo)電性好，但反應(yīng)活性過(guò)高。因此，納米材料的研究工作非常少（納米材料并不是萬(wàn)能材料性能提高的解毒劑，特別是在電池領(lǐng)域有時(shí)會(huì)發(fā)生很多反應(yīng)）。更多的關(guān)注是安全性和抑制副反應(yīng)（與電解質(zhì)）。畢竟，目前三元材料的一個(gè)主要副作用就是安全性，而近期頻發(fā)的電池安全事故也對(duì)這方面提出了更高的要求。
錳酸鋰對(duì)其使用壽命更為重要。目前市場(chǎng)上有很多錳酸鋰系列快速充電電池。
2）負(fù)極
當(dāng)鋰離子電池充電時(shí)，鋰遷移到負(fù)極。然而，快速充電電流帶來(lái)的高過(guò)電位會(huì)導(dǎo)致負(fù)極電位更負(fù)。此時(shí)，負(fù)極上快速接收鋰的壓力將增大，產(chǎn)生鋰枝晶的趨勢(shì)也將增大。因此，負(fù)極不僅要滿足鋰擴(kuò)散的動(dòng)態(tài)要求，還要解決鋰枝晶生成趨勢(shì)增加帶來(lái)的安全問(wèn)題。因此，快速充電芯的主要技術(shù)難點(diǎn)在于鋰離子是負(fù)極的插入。
答：目前市場(chǎng)上的主導(dǎo)陽(yáng)極材料仍然是石墨（約占市場(chǎng)份額的90%），根本原因并不是別的——便宜（你認(rèn)為電池每天都很貴，感嘆號(hào)?。┮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。當(dāng)然，石墨陽(yáng)極也有問(wèn)題。其表面對(duì)電解液敏感，嵌鋰反應(yīng)具有很強(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，并在此基礎(chǔ)上促進(jìn)鋰離子的擴(kuò)散是石墨研究的主要方向。catl在這方面做了很多非常先進(jìn)的工作，有效地提高了石墨陽(yáng)極的綜合性能。
b.硬碳和軟碳材料近年來(lái)也有了很大的發(fā)展：硬碳材料的鋰勢(shì)高，材料中有微孔，所以反應(yīng)動(dòng)力學(xué)性能好；軟碳材料與電解液的相容性好，MCMB材料也很有代表性，但硬碳和軟碳材料的綜合效率低，成本高（如果像石墨一樣便宜，恐怕從工業(yè)角度看也不太有前途），因?yàn)檫@遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于石墨，更多地用于一些特殊電池。
有人會(huì)問(wèn)作者鈦酸鋰怎么樣。簡(jiǎn)單地說(shuō)：鈦酸鋰具有功率密度高、安全性好、缺點(diǎn)明顯、能量密度低、計(jì)算wh成本高等優(yōu)點(diǎn)。因此，筆者對(duì)鈦酸鋰電池的看法一直是：它是一種實(shí)用的技術(shù)，在特定的場(chǎng)合具有優(yōu)勢(shì)，但不適合許多對(duì)成本和續(xù)航里程要求較高的領(lǐng)域融合。
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(kāi)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。
3)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(kāi)的，陶瓷涂層隔膜因?yàn)槠涓甙踩?、可以消耗電解液中雜質(zhì)等特性正在迅速推開(kāi)，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(guò)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
4)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(guò)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(wèn)題，高溫脹氣，也得靠高溫功能型電解液改善。
5)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(wèn)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。
