锂电池定制16年-动力锂电池系统解决方案商

电池快速充电是解决电动汽车充电便利性的关键突破。电池快充技术的突破将改善终端产品的用户体验。电池快充技术已成为全球动力电池公司参与未来市场竞争的核心竞争力，并正在快速迭代创新。但从电池性能来看，电池快充很难与电池寿命和能量密度兼容。

同时，频繁的快速充电将导致充电接受度、能量密度和功率容量的快速下降。一般认为，电池快速充电是电池反应动力学的问题，涉及电解质中的锂离子传输和固态电极中的锂锂离子扩散，其他性质主要与快速充电导致的材料退化有关。本文主要从电池材料的角度探讨了锂离子电池在快充条件下的性能退化，并提出了未来提高锂离子电池快充性能的一些解决方案。

1.石墨阳极

大量研究证明，金属锂沉淀是锂离子电池容量衰减和功率损失的主要原因。理论上讲，在阳极中形成锂金属，因为锂金属的库仑效率低，金属锂容易与电解质溶剂发生副反应。这两种反应都会耗尽电池中正极和负极材料之间的活性Li+，并消耗大量电解质，导致电池内部产生大量气体，导致SEI增长失控。

然而，事实上，电池快速充电并不总是触发锂的演化，因为在正常的锂离子电池中，石墨阳极的阻抗远低于阴极的阻抗。许多研究表明，正常电池快速充电引起的极化不足以将石墨阳极的电势驱动到金属锂沉积的电势。

即使没有金属锂沉淀，电池快速充电仍会加速电池的容量衰减和阻抗增长。相关研究发现，石墨表面SEI的失效是造成这种现象的主要原因之一。SEI的破坏还导致溶剂化Li+离子的共插层。该研究提出了两种解决方案：

首先，减小石墨的粒度，这有利于通过减小阳极的粒度形成稳定的SEI，从而减少锂离子电池在快速充电过程中的容量衰减；

第二，使用可以参与形成稳定SEI的电解质添加剂，通过添加添加剂，SEI膜具有良好的机械应力，以进一步稳定锂离子电池在快速充电中的性能。

2.阴极材料

与石墨阳极材料相比，层状阴极材料具有更高的阻抗。一般认为，阴极具有缓慢的反应动力学和高界面/相转移电阻被认为是限制电池快速充电的主要因素。根据实践经验，可以通过减小阴极材料的粒度来增强反应动力学。在实际生产中，层状阴极材料以球形二次粒子的形式存在，这些二次粒子是由许多小块单晶聚集而成的。

这些球形颗粒中单晶初级颗粒之间的低电子和离子电导率限制了阴极材料的反应动力学。将大的二次粒子碎裂成小的单晶材料可以增强层状阴极的速率能力。值得注意的是，大量研究表明，循环过程中二次颗粒结构中的微裂纹是层状阴极材料性能退化的另一个重要原因，但微裂纹不是性能退化的直接原因。

相反，直接的根本原因是高充电状态（SOC）下的氧损失，这可以通过在充电期间将SOC限制在相对较低的水平来缓解。在这方面，可以通过将SOC限制在75%来减少氧损失，并且可以通过降低充电截止电压来简单地实现氧损失。另一方面，残留的碱性物质会显著增加阴极的Rsl，消除或减少阴极材料表面的残留碱是实现锂离子电池快速充电的另一种有效策略。

此外，对石墨/NCA电池的研究表明，电池快速充电过程中损失的大部分容量可以通过原位补充Li+离子来恢复。这表明电池快速充电不会破坏NCA的晶体结构。相反，正是活性锂离子的损失导致了容量的下降。除了锂沉淀和表面上沉淀的锂与电解质的反应外，活性Li+离子的损失主要来自两个来源：

一是石墨阳极SEI的改造；

第二，层状阴极材料的氧损失。

3.电解液

锂离子电池中的电解质主要指运输锂离子的作用。电池交流阻抗谱中反映的影响电池阻抗的三个因素主要是Rb、Rsl和电荷转移电阻（Rct），它们影响锂离子电池的速率能力。这三个阻抗都与电解质有关。其中，Rb主要与锂离子在液相中的运动有关，但在阻抗谱中仅占总阻抗的一小部分。

换言之，Li+离子的传输不太可能主导电池快速充电极限。在高速率下，锂离子电池的阻抗由Rsl和Rct决定，特别是Rct不仅受Rb和Rsl的影响，而且受电解质-电极界面/界面处Li+离子的去溶剂化和溶剂化活化能的影响。因此，电解液可以通过两种策略提高电池快速充电性能：

第一是开发低活化能的电解质，用于Li+离子的溶剂化和去溶剂化；

第二个是探索电解质添加剂，其可以参与在石墨阳极和阴极表面上形成坚固且高导电的SEI。

结论

简而言之，锂离子电池快速充电面临两个挑战，包括：

阳极的SEI失效，导致石墨剥落和电解液中溶剂的大量消耗；

慢电极反应动力学、层状界面电阻以及Li+的溶剂化和脱溶剂化的高活化能是相关的。

从电池材料的角度来看，可以实施的提高电池快速充电性能的策略包括：

减小石墨的粒度以稳定SEI；

阴极材料的单结晶以增强阴极反应动力学；

开发具有低溶剂化和去溶剂化活化能的电解质，并开发新的添加剂以增强SEI膜对机械应力的抵抗力。