淺談鋰電池快充
來源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-08-30 20:38
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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)對于鋰離子電池性能的發(fā)揮具有重要的影響。
（1）漿料
對于漿料的性質(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電池會(huì)有影響嗎？這里順便說一下，對于快充性能來講，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?？紫堵实牟町悤?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)密度對放電比容量的影響如下圖：
05
化成老化及其它
對碳負(fù)極電池來講，化成-老化是鋰電池的關(guān)鍵工藝，此過程會(huì)影響SEI的質(zhì)量。SEI厚度不均勻或結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，會(huì)影響電池快充能力和循環(huán)壽命。
除了以上幾個(gè)重要因素外，電芯制作、充放電制度都會(huì)對鋰電池性能有較大影響。隨著使用時(shí)間延長，應(yīng)適度降低電池充電倍率，否則會(huì)加劇極化。
