鉅大LARGE | 點擊量：261次 | 2023年12月26日
鋰電池快速充電性能如何提高
鋰離子電池的充電方法有很多種,針對快速充電的要求,其重要方法包括脈沖充電、Reflex充電,和智能充電。不同的電池類型,其適用的充電方式也不完全相同。
Reflex快速充電法
Reflex快速充電方法，又被稱為反射充電方法或打嗝充電方法。該方法的每個工作周期包括正向充電、反向瞬間放電和停充3個階段。它在很大的程度上解決了電池極化現(xiàn)象，加快了充電速度。但是反向放電會縮短鋰離子電池壽命。
在每個充電周期中，先采用2C的電流充電時間為10s的Tc，然后停充時間為0.5s的Tr1，反向放電時間為1s的Td，停充時間為0.5s的Tr2，每個充電循環(huán)時間為12s。隨著充電的進行，充電電流會逐漸變小。
脈沖充電
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
在脈沖充電過程中，鋰離子電池電壓下降速度會漸漸減慢，停充時間T0會變長，當(dāng)恒流充電占空比低至5%～10%時，認為電池已經(jīng)充滿，終止充電。與常規(guī)充電方法相比，脈沖充電能以較大的電流充電，在停充期電池的濃差極化和歐姆極化會被消除，使下一輪的充電更加順利地進行，充電速度快、溫度的變化小、對電池壽命影響小，因而目前被廣泛使用。
在整個過程中，對不同的電池有不同的標(biāo)準(zhǔn)充電電流，例如關(guān)于3C產(chǎn)品電池標(biāo)準(zhǔn)一般選擇0.1C-0.5C，而關(guān)于大功率動力鋰電池，標(biāo)準(zhǔn)充電一般為1C。選擇較低的充電電流，也是考慮到電池的安全性。所以，平時說的快充，就是指高于標(biāo)準(zhǔn)充電電流數(shù)倍至數(shù)十倍不等。
有人說，鋰離子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，很實在。快充在節(jié)約了充電時間的同時，也會對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隨著充放電循環(huán)的新增而減小，當(dāng)持續(xù)充電且充電電流較大時，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應(yīng)起來。同時大電流充電，內(nèi)阻的增大會導(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，危險系數(shù)驟然新增，對電池安全性出現(xiàn)影響，非功率型電池的壽命必然會大幅縮短。
01、正極材料
鋰離子電池快充的過程，就是正極材料中Li+快速遷移嵌入負極的過程。正極材料的粒徑能影響電池電化學(xué)過程中的響應(yīng)時間、離子的擴散路徑等，據(jù)研究隨著材料的晶粒尺寸減少，鋰離子的擴散系數(shù)增大。但是，隨著材料顆粒尺寸減小，在生產(chǎn)中制漿就會出現(xiàn)嚴(yán)重的顆粒團聚、造成分散不均勻，同時納米顆粒會降低極片的壓實密度，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行包覆改性，例如LFP本身導(dǎo)電性就不太好，對其進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、負極材料
鋰離子電池快充即意味著鋰離子快速脫出并游向負極，這時候就要負極材料具有快速的嵌鋰能力。用于鋰離子電池快充的負極材料包括碳材料、鈦酸鋰及其它的一些新型材料。
關(guān)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，鋰離子可能會在表面析出形成枝晶鋰。枝晶鋰刺破SEI，會造成Li+二次損耗，降低電池容量。當(dāng)鋰金屬達到一定量后就會從負極向隔膜生長，造成電池短路的危險。
關(guān)于LTO來講，其本身屬于零應(yīng)變性的含氧負極材料，在電池工作時不會出現(xiàn)SEI，其與鋰離子的結(jié)合能力更強，能夠滿足快充快放的要求。同時也正是因為無法形成SEI，負極材料會與電解液直接接觸，促進了副反應(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，電池會存在較大的極化。那么為了盡量減少電池極化引起的負面反應(yīng)，要從下面三點將是電解液的研發(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
之前分別從正負極材料、電極液等三個關(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。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)關(guān)于鋰離子電池性能的發(fā)揮具有重要的影響。
（1）漿料
關(guān)于漿料的性質(zhì)，一方面是要保持導(dǎo)電劑的均勻分散。因為導(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)，具有收集微電流的用途，降低接觸電阻，可以提高電子的移動速率。另一方面是防止導(dǎo)電劑的過分散。在充放電過程中，正負極材料晶體結(jié)構(gòu)會發(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。正負極極片面密度較低時，可以增大鋰離子的擴散速度，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。
