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鋰離子快速充電的機(jī)理是什么呢

鑒于快速充電的研究，有幾個(gè)關(guān)鍵步驟被確定為速率限制：

a）鋰離子在陽極活性材料中的擴(kuò)散，

b）鋰離子在陰極活性材料（CAM）中的擴(kuò)散，

c）鋰離子在電解質(zhì)相（液體或固體）中的輸運(yùn)，以及

d）相邊界處的電荷轉(zhuǎn)移動(dòng)力學(xué)。

在這種情況下，將電荷轉(zhuǎn)移定義為電解質(zhì)和電極之間的整個(gè)傳輸過程，因此它包括液體電解質(zhì)的去溶劑化、電解質(zhì)-電極界面上的實(shí)際電荷轉(zhuǎn)移，以及存在界面時(shí)離子通過該界面的傳輸，這分別伴隨著電解質(zhì)-界面和界面-電極邊界的兩個(gè)電荷轉(zhuǎn)移過程。在隔膜內(nèi)，電解液中鋰離子傳輸?shù)挠绊懞苄?，但在多孔電極內(nèi)，鋰離子傳輸對(duì)給定電池的快速充電能力起主要作用。

圖片來源《Lithium-ion battery fast charging: A review》

鋰電池快充技術(shù)正負(fù)極材料選擇

一般地，負(fù)極材料內(nèi)部的固相擴(kuò)散系數(shù)相 對(duì)較小 ，限制了負(fù)極材料電池的大電流充放電能力 ，成為電極反應(yīng)的控制步驟 。 

通過分析不同電池快速充電能力的研究概述，研究學(xué)者們認(rèn)為活性材料中的快速鋰離子擴(kuò)散率被是快速充電所需的主要因素之一。改進(jìn)的陽極材料應(yīng)為遷移到陽極材料以及材料本身內(nèi)的擴(kuò)散提供較低的屏障。因此，鋰鍍層——石墨陽極上觀察到的主要障礙——也可以減少。一旦擴(kuò)散速度不夠快，顆粒大小就成為實(shí)現(xiàn)快速充電的一個(gè)重要因素，部分能夠抵消低鋰擴(kuò)散率。對(duì)于具有強(qiáng)擴(kuò)散各向異性的活性材料，例如層狀化合物，粒子形態(tài)成為另一個(gè)重要因素，并且粒子形態(tài)控制可能導(dǎo)致材料水平上更快的充電速率。

當(dāng)前已有許多研究致力于發(fā)展無枝晶的快充負(fù)極材料，如碳基材料、金屬氧化物復(fù)合材料和合金等已經(jīng)取得一定程度的成功。

電解液對(duì)快充技術(shù)影響甚大

廣義而言，用于快速充電電池的電解液必須能夠更快地將鋰傳輸?shù)疥枠O，同時(shí)滿足與能量密度、電池性能、安全性、成本和壽命相關(guān)的其他要求。考慮到電池設(shè)計(jì)特點(diǎn)，用于快速充電電池的電解液的電導(dǎo)率應(yīng)為常規(guī)電解液的兩倍，擴(kuò)散率應(yīng)為常規(guī)電解液的3-4倍。更關(guān)鍵的因素是在6C1充電倍率下，要將濃度極化降至可管理水平，這涉及到陰極和陽極區(qū)域內(nèi)離子和溶劑物種的濃度梯度。

如果實(shí)現(xiàn)，這將避免電解液中鋰離子的傳輸成為限速步驟。因此，XFC電池電解液涉及到粘度較小、擴(kuò)散性更強(qiáng)、但可能更易揮發(fā)的溶劑；但是此類溶劑會(huì)帶來加速老化的風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)樵谘h(huán)過程中這些溶劑可能在電極表面經(jīng)歷更泛濫的氧化還原行為。因此，穩(wěn)定添加劑的選擇是XFC電解質(zhì)的關(guān)鍵設(shè)計(jì)考慮因素。

導(dǎo)電劑的選擇至關(guān)重要

有行業(yè)人士認(rèn)為，廣汽的石墨烯電池，石墨烯在電池正負(fù)極中扮演的角色是導(dǎo)電劑，而非對(duì)原有活性材料的替代，判斷基于兩點(diǎn)理由：1）廣汽集團(tuán)董事長曾慶洪在 2021年百人會(huì)論壇上表示“在 811、622電池基礎(chǔ)上增加 1%—2%的石墨烯正負(fù)極材料”；2）在合作伙伴鵬輝能源的專利“一種鋰 離子電池及其制作方法”中，通過加入 1%-5%的石墨烯作為導(dǎo)電劑，鋰電池的能量密度在 200Wh/kg 以上，充放電倍率能夠達(dá)到 6C以上，以 6C至 10C的倍率充放循環(huán) 1400周之后，電池的容量保持 率 95%以上，與廣汽的新電池技術(shù)指標(biāo)接近。

導(dǎo)電劑作為一種關(guān)鍵的輔材，可以增加活 性物質(zhì)之間的導(dǎo)電接觸，電池制造企業(yè)通常在極片制作時(shí)加入一定量的導(dǎo)電劑提升鋰電池中電子在電極中的傳輸速率，進(jìn)而提升鋰電池的倍率性能和改善循環(huán)壽命。

碳納米管、石墨烯或者復(fù)合材料已作為新型導(dǎo)電劑添加到鋰電池中，以減小電極的接觸電阻、有效地提高鋰離子在電極材料中的遷移速率，從而提 高電極的充放電效率，使得電池倍率性能和循環(huán)壽命得到改善。

來源《Fast Charging of Lithium-Ion Batteries: A Review  of Materials Aspects》

其他影響因素

如何進(jìn)行電極設(shè)計(jì)也對(duì)電池的快充性能有顯著的影響，例如研究表明提升電極的孔隙率能夠有效的提升電池的快充性能，同時(shí)提高N/P比也能夠有效的減少負(fù)極析鋰的風(fēng)險(xiǎn)，提升電池的倍率性能。另外，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。

快充會(huì)影響電池壽命嗎

毫無疑問，電池快充技術(shù)最使得大家關(guān)心的問題就是快充會(huì)影響電池的壽命嗎？對(duì)于鋰離子電池來說，在高溫下工作不僅是正常的充放電，還伴隨著一些副反應(yīng)，如電解液分析、電極上的沉積物等。這些都對(duì)電池壽命有影響，電池的最大容量和電池電量的顯示都會(huì)受到這些副反應(yīng)結(jié)果的影響。如今的快充技術(shù)，無論是QC2.0、PEP還是VOOC，在充電時(shí)都會(huì)把發(fā)熱控制在比較低的范圍內(nèi)，影響自然是微乎其微的。當(dāng)然，如果使用非原裝的快充配件，很可能會(huì)導(dǎo)致電池過熱，電池壽命明顯降低。

各大企業(yè)紛紛布局的快充技術(shù)

寧德時(shí)代開發(fā)了“超電子網(wǎng)”技術(shù)，使得磷酸鐵鋰具有優(yōu)異的電子導(dǎo)電性能；在負(fù)極石墨表面，采用了“快離子環(huán)”技術(shù)修飾，修飾后的石墨兼顧超級(jí)快充和高能量密度的特性，快充時(shí)負(fù)極不再出現(xiàn)過量副產(chǎn)物，使其具備4-5C快充能力，實(shí)現(xiàn)10-15分鐘快充充電，并能保證系統(tǒng)級(jí)別70wh/kg以上的能量密度，實(shí)現(xiàn)10000次的循環(huán)壽命（話說這個(gè)壽命蠻高的）。熱管理方面，其熱管理系統(tǒng)，充分識(shí)別固定化學(xué)體系在不同溫度和SOC下的“健康充電區(qū)間”，極大拓寬鋰電池的運(yùn)營溫度。

蜂巢能源帶來的全新的快充技術(shù)和對(duì)應(yīng)的電芯，可實(shí)現(xiàn)充電10分鐘，行駛400公里。

據(jù)悉，蜂速快充技術(shù)的創(chuàng)新技術(shù)主要包括幾個(gè)方面；

正極材料方面應(yīng)用了三大技術(shù)：1.前驅(qū)體定向生長精準(zhǔn)控制技術(shù)，通過控制前驅(qū)體合成參數(shù)，一次粒徑放射狀生長，打造離子遷移“高速公路”，提高離子傳導(dǎo)，降低阻抗10％以上;

2.多梯度立體摻雜技術(shù)，體相摻雜及表面摻雜多元素協(xié)同作用，穩(wěn)定高鎳材料晶格結(jié)構(gòu)，同時(shí)降低界面氧化性，循環(huán)提升20％，產(chǎn)氣降低30％以上;

3.柔性包覆技術(shù)，基于大數(shù)據(jù)分析及仿真計(jì)算，篩選適配高鎳材料體積變化大的柔性包覆材料，抑制循環(huán)顆粒粉化，產(chǎn)氣降低20％以上。

負(fù)極同樣應(yīng)用了多項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)：1.原料種類及選擇技術(shù)，選取各項(xiàng)同性，不同結(jié)構(gòu)、不同類型的原材料進(jìn)行組合，使其極片OI值由12降低為7，動(dòng)力學(xué)性能得到提升；

2.原料破碎整形技術(shù)，采用小骨料粒徑組成二次顆粒，并復(fù)配一次顆粒，實(shí)現(xiàn)合理的粒徑搭配，降低其副反應(yīng)，循環(huán)性能和存儲(chǔ)性能提升5-10%；

3.表面改性技術(shù)，采用液相包覆技術(shù)石墨表面包覆無定形碳，降低阻抗，提升鋰離子的通道，使其阻抗降低20%；

4.造粒技術(shù)，精確控制粒徑間的形貌、取向等造粒技術(shù)，滿電膨脹降低膨脹3-5%。

2021年廣汽科技日上，廣汽集團(tuán)展示了他們最新的超級(jí)快充技術(shù)，其中分為3C和6C兩個(gè)版本，而最為亮眼的6C高倍率快充技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)0-80%電量只需要8分鐘充電時(shí)間，30-80%電量只需5分鐘。

早期，微宏動(dòng)力在2017年，發(fā)布了新一代高能量密度電池，采用高容量高功率錳酸鋰正極材料，單體能量密度達(dá)到170wh/kg，實(shí)現(xiàn)15分鐘快充，目標(biāo)定位于兼顧壽命和安全問題。

今年9月10日，聯(lián)動(dòng)天翼發(fā)布的高性能快充動(dòng)力電池SPEED系列其單體能量密度達(dá)到了260Wh/kg，充電8分鐘可以達(dá)到400公里續(xù)航（為對(duì)搭載容量110kWh SPEED電池續(xù)航里程為750km電動(dòng)汽車的測(cè)試結(jié)果），快充循環(huán)次數(shù)可達(dá)到800~1200次，2025年充電時(shí)間將有望縮短到5分鐘。

另外，珠海銀隆等也在積極布局鋰電池快充技術(shù)。