 图片来源于网络 快速充电被认为是电动汽车获得广泛经济成功的关键要求。目前的锂离子电池（LIB）提供了高能量密度，可提供足够的行驶里程，但充电时间比传统车辆长得多。应用的阳极、阴极和电解质材料的多种特性影响电池的快速充电能力。 有关快充电池技术的问答 问 快速充电的定义 答 快速充电是指充电电流大于0.1C的充电方式，这种充电方式对于单个锂电池来说，对寿命与稳定性等的影响非常小；但是如果对于电瓶车电池组来说的话，快充就是用时间换取电池寿命的一种行为。 问 锂离子快速充电的机理是什么呢 答 鉴于快速充电的研究，有几个关键步骤被确定为速率限制： a）锂离子在阳极活性材料中的扩散， b）锂离子在阴极活性材料（CAM）中的扩散， c）锂离子在电解质相（液体或固体）中的输运，以及 d）相边界处的电荷转移动力学。 在这种情况下，将电荷转移定义为电解质和电极之间的整个传输过程，因此它包括液体电解质的去溶剂化、电解质-电极界面上的实际电荷转移，以及存在界面时离子通过该界面的传输，这分别伴随着电解质-界面和界面-电极边界的两个电荷转移过程。在隔膜内，电解液中锂离子传输的影响很小，但在多孔电极内，锂离子传输对给定电池的快速充电能力起主要作用。  图片来源《Lithium-ion battery fast charging: A review》 问 锂电池快充技术正负极材料选择 答 一般地，负极材料内部的固相扩散系数相 对较小 ，限制了负极材料电池的大电流充放电能力 ，成为电极反应的控制步骤 。 通过分析不同电池快速充电能力的研究概述，研究学者们认为活性材料中的快速锂离子扩散率被是快速充电所需的主要因素之一。改进的阳极材料应为迁移到阳极材料以及材料本身内的扩散提供较低的屏障。因此，锂镀层——石墨阳极上观察到的主要障碍——也可以减少。一旦扩散速度不够快，颗粒大小就成为实现快速充电的一个重要因素，部分能够抵消低锂扩散率。对于具有强扩散各向异性的活性材料，例如层状化合物，粒子形态成为另一个重要因素，并且粒子形态控制可能导致材料水平上更快的充电速率。 当前已有许多研究致力于发展无枝晶的快充负极材料，如碳基材料、金属氧化物复合材料和合金等已经取得一定程度的成功。 问 电解液对快充技术影响甚大 答 广义而言，用于快速充电电池的电解液必须能够更快地将锂传输到阳极，同时满足与能量密度、电池性能、安全性、成本和寿命相关的其他要求。考虑到电池设计特点，用于快速充电电池的电解液的电导率应为常规电解液的两倍，扩散率应为常规电解液的3-4倍。更关键的因素是在6C1充电倍率下，要将浓度极化降至可管理水平，这涉及到阴极和阳极区域内离子和溶剂物种的浓度梯度。 如果实现，这将避免电解液中锂离子的传输成为限速步骤。因此，XFC电池电解液涉及到粘度较小、扩散性更强、但可能更易挥发的溶剂；但是此类溶剂会带来加速老化的风险，因为在循环过程中这些溶剂可能在电极表面经历更泛滥的氧化还原行为。因此，稳定添加剂的选择是XFC电解质的关键设计考虑因素。 问 导电剂的选择至关重要 答 有行业人士认为，广汽的石墨烯电池，石墨烯在电池正负极中扮演的角色是导电剂，而非对原有活性材料的替代，判断基于两点理由：1）广汽集团董事长曾庆洪在 2021年百人会论坛上表示“在 811、622电池基础上增加 1%—2%的石墨烯正负极材料”；2）在合作伙伴鹏辉能源的专利“一种锂 离子电池及其制作方法”中，通过加入 1%-5%的石墨烯作为导电剂，锂电池的能量密度在 200Wh/kg 以上，充放电倍率能够达到 6C以上，以 6C至 10C的倍率充放循环 1400周之后，电池的容量保持 率 95%以上，与广汽的新电池技术指标接近。 导电剂作为一种关键的辅材，可以增加活 性物质之间的导电接触，电池制造企业通常在极片制作时加入一定量的导电剂提升锂电池中电子在电极中的传输速率，进而提升锂电池的倍率性能和改善循环寿命。 碳纳米管、石墨烯或者复合材料已作为新型导电剂添加到锂电池中，以减小电极的接触电阻、有效地提高锂离子在电极材料中的迁移速率，从而提 高电极的充放电效率，使得电池倍率性能和循环寿命得到改善。  来源《Fast Charging of Lithium-Ion Batteries: A Review of Materials Aspects》 问 其他影响因素 答 如何进行电极设计也对电池的快充性能有显著的影响，例如研究表明提升电极的孔隙率能够有效的提升电池的快充性能，同时提高N/P比也能够有效的减少负极析锂的风险，提升电池的倍率性能。另外，叠层式电池的电极之间相当于是并联关系，卷绕式则相当于是串联，因此前者内阻要小的多，更适合用于功率型场合。 问 快充会影响电池寿命吗 答 毫无疑问，电池快充技术最使得大家关心的问题就是快充会影响电池的寿命吗？对于锂离子电池来说，在高温下工作不仅是正常的充放电，还伴随着一些副反应，如电解液分析、电极上的沉积物等。这些都对电池寿命有影响，电池的最大容量和电池电量的显示都会受到这些副反应结果的影响。如今的快充技术，无论是QC2.0、PEP还是VOOC，在充电时都会把发热控制在比较低的范围内，影响自然是微乎其微的。当然，如果使用非原装的快充配件，很可能会导致电池过热，电池寿命明显降低。 问 各大企业纷纷布局的快充技术 答 宁德时代开发了“超电子网”技术，使得磷酸铁锂具有优异的电子导电性能；在负极石墨表面，采用了“快离子环”技术修饰，修饰后的石墨兼顾超级快充和高能量密度的特性，快充时负极不再出现过量副产物，使其具备4-5C快充能力，实现10-15分钟快充充电，并能保证系统级别70wh/kg以上的能量密度，实现10000次的循环寿命（话说这个寿命蛮高的）。热管理方面，其热管理系统，充分识别固定化学体系在不同温度和SOC下的“健康充电区间”，极大拓宽锂电池的运营温度。 蜂巢能源带来的全新的快充技术和对应的电芯，可实现充电10分钟，行驶400公里。 据悉，蜂速快充技术的创新技术主要包括几个方面； 正极材料方面应用了三大技术：1.前驱体定向生长精准控制技术，通过控制前驱体合成参数，一次粒径放射状生长，打造离子迁移“高速公路”，提高离子传导，降低阻抗10％以上; 2.多梯度立体掺杂技术，体相掺杂及表面掺杂多元素协同作用，稳定高镍材料晶格结构，同时降低界面氧化性，循环提升20％，产气降低30％以上; 3.柔性包覆技术，基于大数据分析及仿真计算，筛选适配高镍材料体积变化大的柔性包覆材料，抑制循环颗粒粉化，产气降低20％以上。 负极同样应用了多项先进技术：1.原料种类及选择技术，选取各项同性，不同结构、不同类型的原材料进行组合，使其极片OI值由12降低为7，动力学性能得到提升； 2.原料破碎整形技术，采用小骨料粒径组成二次颗粒，并复配一次颗粒，实现合理的粒径搭配，降低其副反应，循环性能和存储性能提升5-10%； 3.表面改性技术，采用液相包覆技术石墨表面包覆无定形碳，降低阻抗，提升锂离子的通道，使其阻抗降低20%； 4.造粒技术，精确控制粒径间的形貌、取向等造粒技术，满电膨胀降低膨胀3-5%。 2021年广汽科技日上，广汽集团展示了他们最新的超级快充技术，其中分为3C和6C两个版本，而最为亮眼的6C高倍率快充技术可以实现0-80%电量只需要8分钟充电时间，30-80%电量只需5分钟。 早期，微宏动力在2017年，发布了新一代高能量密度电池，采用高容量高功率锰酸锂正极材料，单体能量密度达到170wh/kg，实现15分钟快充，目标定位于兼顾寿命和安全问题。 今年9月10日，联动天翼发布的高性能快充动力电池SPEED系列其单体能量密度达到了260Wh/kg，充电8分钟可以达到400公里续航（为对搭载容量110kWh SPEED电池续航里程为750km电动汽车的测试结果），快充循环次数可达到800~1200次，2025年充电时间将有望缩短到5分钟。 另外，珠海银隆等也在积极布局锂电池快充技术。 未来展望 “快充技术的出现及全面普及，将有助于数码用品（尤其是手机）的续航问题及新能源汽车在补能速度上赶超传统燃油车。同时，新能源汽车或许就不需要背负那么多又大又重的电池，其成本也将相对下降，新能源汽车的普及势必将进一步加速。”业内人士指出，未来具有高性能快充电池技术的动力电池企业势必会更受到消费者的信赖，叠加新能源汽车市场“蛋糕”总体变大的背景，其电池装机量无疑将进一步攀升。 |
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