影響鋰離子電池的快充能力因素-瑞達(dá)國(guó)際集團(tuán)

　　影響鋰離子電池的快充能力因素

　　成本、能量密度、快充特性一直是評(píng)估動(dòng)力電池的三大重要指標(biāo)。仔細(xì)觀察近年各大品牌電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)布會(huì)，快充一直是商家著力吆喝的賣(mài)點(diǎn)之一。最近，美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(OakRidgeNationalLaboratory)和美國(guó)田納西州立大學(xué)(UniversityofTennessee)的研究人員針對(duì)NMC811/石墨體系的快充限制因素進(jìn)行了細(xì)致評(píng)估，成果詳見(jiàn)Identifyingthelimitingelectrodeinlithiumionbatteriesforextremefastging.ElectrochemistryCommunications,2018,97:37-41.ElectrochemistryCommunications是電化學(xué)領(lǐng)域?yàn)閿?shù)不多的通訊類(lèi)刊物，目前主編為牛津大學(xué)的R.G.Compton教授。雖然刊物影響因子不高(IF=4.6)，但所發(fā)表論文大多簡(jiǎn)潔明快、創(chuàng)新性強(qiáng)，因此受到很多的很多人的喜愛(ài)。亮點(diǎn)：(1)充分證明了石墨是限制電池快充能力的主要限制因素;(2)高倍率充電由于石墨負(fù)極容量衰減過(guò)快，N/P可能小于1從而容易產(chǎn)生析鋰;(3)設(shè)計(jì)電池快充還要考慮高倍率充電下的擴(kuò)散問(wèn)題、鋰鹽消耗、材料選型和負(fù)載量等。

　　為了進(jìn)一步準(zhǔn)確評(píng)估不同充電倍率下正、負(fù)極的容量特性及排除對(duì)電極的影響，作者取了50%SOC全電池的正、負(fù)極分別制成對(duì)稱(chēng)電池。圖2A和圖2B分別NMC811和石墨對(duì)稱(chēng)電池的充放電曲線，圖2C為不同倍率下NMC811和石墨容量密度衰減及N/P比變化。與扣電結(jié)果相似，當(dāng)充電倍率高于1C石墨容量急劇降低，而NMC811則在1/10C到4C都還有著較好的容量保持。為了避免析鋰，電池設(shè)計(jì)時(shí)都會(huì)讓N/P比大于1。但如圖2C所示，初始N/P=1.15，隨著充電倍率提高石墨容量衰減過(guò)快，會(huì)出現(xiàn)N/P<1的現(xiàn)象(3C充電N/P=1，4C充電N/P=0.5)，從而極易發(fā)生析鋰(圖2D)。

　　此外，作者還利用對(duì)稱(chēng)電池研究了NMC811和石墨在不同溫度下的EIS譜。對(duì)比圖3A和圖3B可以發(fā)現(xiàn)，盡管石墨是限制電池快充能力的重要因素，但其在各測(cè)試溫度下均有較小的電荷轉(zhuǎn)移電阻，表明電荷轉(zhuǎn)移電阻不是限制石墨快充性能的因素。圖3C所示不同溫度下NMC811和石墨對(duì)稱(chēng)電池的Arrhenius關(guān)系，其中斜率代表各電極的解溶劑化能。盡管Li+在石墨上的解溶劑化能較小，但考慮到石墨負(fù)極厚度大于NMC811正極厚度，高充電倍率下擴(kuò)散和鋰鹽消耗將成為限制快充的重要因素。增大正極負(fù)載量是提高電池能量密度的有效方式之一。但如圖3D所示，對(duì)于NMC532，隨著負(fù)載量的提高，高倍率下容量衰減愈發(fā)明顯;而由于NMC811有著更高的體積能量密度，同等負(fù)載量和高倍率下其容量衰減較NMC532弱很多。因此，正極材料負(fù)載量和種類(lèi)也會(huì)影響電池快充特性，電池設(shè)計(jì)時(shí)也應(yīng)予以考慮。