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突破更多燒結(jié)應(yīng)用場(chǎng)景

歐陽(yáng)明高：從材料到系統(tǒng)鋰離子電池快充技術(shù)全面總結(jié)

發(fā)布時(shí)間：2019.10.24

訪問(wèn)量：3850次

隨著動(dòng)力電池能量密度的不斷提升和成本的不斷降低，電動(dòng)汽車的續(xù)航里程也在不斷增加，今年推出的電動(dòng)汽車的續(xù)航里程普遍超過(guò)400km，部分中高端車型續(xù)航里程達(dá)到500km以上，基本上滿足日常通勤需求。因此充電速度也就成為了新能源汽車推廣應(yīng)用的主要障礙，縮短充電時(shí)間能夠更好的提升電動(dòng)汽車的使用體驗(yàn)，對(duì)于推廣電動(dòng)汽車具有重要的意義。

減少電動(dòng)汽車的充電時(shí)間通常有兩種措施：

1）一種是通過(guò)提升充電速度，縮短充電所需的時(shí)間，這也是目前多數(shù)新能源汽車所采用的策略；

2）第二種是通過(guò)更換電池組的方式將空電的電池組快速更換為滿電電池組，這種策略通常會(huì)應(yīng)用在出租車等營(yíng)運(yùn)車輛上。

提升充電速度雖然會(huì)帶來(lái)充電時(shí)間上的縮短，但是過(guò)高的充電速度也會(huì)導(dǎo)致電池的衰降速度加快，影響電動(dòng)汽車的使用壽命。近日，英國(guó)帝國(guó)理工大學(xué)的Anna Tomaszewska（第一作者，通訊作者）、XuningFeng（通訊作者）和清華大學(xué)的歐陽(yáng)明高院士等從材料層面到系統(tǒng)層面全方位的對(duì)鋰離子電池快充的影響因素、衰降機(jī)理和解決方法進(jìn)行了回顧和綜述。

鋰離子電池主要由正極、負(fù)極、隔膜和電解液等部分構(gòu)成，在充電的過(guò)程中Li+從正極脫出，經(jīng)過(guò)電解液擴(kuò)散到負(fù)極，因此整個(gè)過(guò)程中可能影響鋰離子電池充電速度的因素主要有3個(gè)：

1）Li+在固相中的擴(kuò)散；

2）Li+在固/液界面反應(yīng)；

3）Li+在電解液中的擴(kuò)散，包括溶劑化和去溶劑化。

在快速充的過(guò)程中正極衰降和正極界面膜（CEI）的生長(zhǎng)通常不是限制因素，而負(fù)極由于動(dòng)力學(xué)條件相對(duì)比較差，因此在快速充電的過(guò)程中容易發(fā)生析鋰，進(jìn)而減少負(fù)極可供Li+嵌入的有效面積，造成電池性能的劣化。

快充對(duì)壽命衰降的影響

快充導(dǎo)致的熱量對(duì)電池的影響

快充會(huì)導(dǎo)致鋰離子電池內(nèi)部產(chǎn)熱，鋰離子電池的產(chǎn)熱主要有可逆熱和不可逆熱兩種，其中不可逆熱如下式所示，其中U為電池的開(kāi)路電壓，V為電池電壓，I為電流

在上述的不可逆熱中有相當(dāng)一部分來(lái)自電池的歐姆阻抗產(chǎn)熱，如下式所示，其產(chǎn)熱量與電流的平方成正比，因此在快充的過(guò)程中電池會(huì)產(chǎn)生更多的歐姆熱。

電池充電過(guò)程中的可逆熱則主要來(lái)自于電池中的熵變，根據(jù)電池的熵變可以計(jì)算電池的可逆熱

相關(guān)研究表明在較低的倍率下可逆熱是電池?zé)崃康闹饕獊?lái)源，在較高的倍率電池的不可逆熱則是電池的主要來(lái)源，而電池的溫度對(duì)于鋰離子電池的壽命具有顯著的影響，因此鋰離子電池在快充過(guò)程引起的電池溫度變化對(duì)于鋰離子電池的壽命具有重要的影響。

鋰離子電池按照結(jié)構(gòu)和形狀主要可以分為三類：

1）圓柱形；

2）方形；

3）軟包，不同的結(jié)構(gòu)的電池在不同的方向上具有不同的散熱效率，例如對(duì)于圓柱形電池在直徑方向上由于隔膜等導(dǎo)熱效果較差的材料存在，因此電池內(nèi)部溫度較高的位置主要集中的電芯的中間位置，而對(duì)于方形電池和軟包電池由于極耳位置的電流密度比較大，因此高溫區(qū)域也主要集中在電池靠近極耳的位置，而且靠近正極極耳的位置通常也會(huì)比靠近負(fù)極極耳位置的溫度更高。

電池內(nèi)部的溫度分布不均會(huì)造成電池內(nèi)部電流分布的不均，同時(shí)極耳位置設(shè)計(jì)不合理也容易產(chǎn)生電流分布不均的現(xiàn)象，電流分布不均容易導(dǎo)致電池在充放電的過(guò)程中發(fā)生局部的過(guò)充或過(guò)放，以及副反應(yīng)速度的不一致，進(jìn)而導(dǎo)致電池內(nèi)部衰降速度的不一致。溫度分布的不均不僅僅發(fā)生在電池層面，在系統(tǒng)層面由于電池模組中單體電池的排列，冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)等因素也會(huì)導(dǎo)致不同單體電池之間存在明顯的溫度梯度。過(guò)高的溫度在正極一側(cè)會(huì)加劇粘結(jié)劑分解、不可逆相變和過(guò)渡金屬元素的溶解等問(wèn)題，而負(fù)極一側(cè)則面臨SEI膜生長(zhǎng)加速，從而消耗電池內(nèi)部有限的活性Li，導(dǎo)致電池不可逆的容量損失，并引起電池產(chǎn)氣。