锂离子电池快速充电性能如何提高

锂离子电池的充电方法有很多种,针对快速充电的要求,其重要方法包括脉冲充电、Reflex充电,和智能充电。不同的电池类型,其适用的充电方式也不完全相同。

Reflex快速充电法

Reflex快速充电方法，又被称为反射充电方法或打嗝充电方法。该方法的每个工作周期包括正向充电、反向瞬间放电和停充3个阶段。它在很大的程度上解决了电池极化现象，加快了充电速度。但是反向放电会缩短锂离子电池寿命。

在每个充电周期中，先采用2C的电流充电时间为10s的Tc，然后停充时间为0.5s的Tr1，反向放电时间为1s的Td，停充时间为0.5s的Tr2，每个充电循环时间为12s。随着充电的进行，充电电流会逐渐变小。

脉冲充电

在脉冲充电过程中，锂离子电池电压下降速度会渐渐减慢，停充时间T0会变长，当恒流充电占空比低至5%～10%时，认为电池已经充满，终止充电。与常规充电方法相比，脉冲充电能以较大的电流充电，在停充期电池的浓差极化和欧姆极化会被消除，使下一轮的充电更加顺利地进行，充电速度快、温度的变化小、对电池寿命影响小，因而目前被广泛使用。

在整个过程中，对不同的电池有不同的标准充电电流，例如关于3C产品电池标准一般选择0.1C-0.5C，而关于大功率动力锂电池，标准充电一般为1C。选择较低的充电电流，也是考虑到电池的安全性。所以，平时说的快充，就是指高于标准充电电流数倍至数十倍不等。

有人说，锂离子电池充电就像倒啤酒，速度快，装满啤酒的速度也快，但是泡沫很多。倒的慢，速度慢，但是啤酒多，很实在。快充在节约了充电时间的同时，也会对电池本身有较大的破坏。

由于电池中存在极化现象，其能够接受的最大充电电流会随着充放电循环的新增而减小，当持续充电且充电电流较大时，电极处的离子浓度升高，极化加剧，电池端电压无法与充入的电量/能量直接线性比例地对应起来。同时大电流充电，内阻的增大会导致焦耳发热效应加剧(Q=I2Rt)，带来副反应，如电解液的反应分解、产气等一系列问题，危险系数骤然新增，对电池安全性出现影响，非功率型电池的寿命必然会大幅缩短。

01正极材料

锂离子电池快充的过程，就是正极材料中Li+快速迁移嵌入负极的过程。正极材料的粒径能影响电池电化学过程中的响应时间、离子的扩散路径等，据研究随着材料的晶粒尺寸减少，锂离子的扩散系数增大。但是，随着材料颗粒尺寸减小，在生产中制浆就会出现严重的颗粒团聚、造成分散不均匀，同时纳米颗粒会降低极片的压实密度，并在充放电过程中与电解液接触面积增多副反应，影响电池的性能。

比较靠谱的方法是对正极材料进行包覆改性，例如LFP本身导电性就不太好，对其进行表面包覆碳材料或其它材料后可以提高其导电性，有利于提高电池的快速充电性能。

02负极材料

锂离子电池快充即意味着锂离子快速脱出并游向负极，这时候就要负极材料具有快速的嵌锂能力。用于锂离子电池快充的负极材料包括碳材料、钛酸锂及其它的一些新型材料。

关于碳材料来讲，由于嵌锂电位和锂析出的电位差不多，常规充电的情况下一般是锂离子优先嵌入石墨，但是在快充或低温条件下，锂离子可能会在表面析出形成枝晶锂。枝晶锂刺破SEI，会造成Li+二次损耗，降低电池容量。当锂金属达到一定量后就会从负极向隔膜生长，造成电池短路的危险。

关于LTO来讲，其本身属于零应变性的含氧负极材料，在电池工作时不会出现SEI，其与锂离子的结合能力更强，能够满足快充快放的要求。同时也正是因为无法形成SEI，负极材料会与电解液直接接触，促进了副反应的发生，LTO电池产气的问题迟迟无法解决，只能通过表面改性的方式得以缓解。

03电极液

前面也说到，快充过程中由于锂离子迁移速度和电子传输速率不一致，电池会存在较大的极化。那么为了尽量减少电池极化引起的负面反应，要从下面三点将是电解液的研发方向：1、高解离度电解质盐；2、溶剂复合-粘度更低；3、界面控制-膜阻抗更低。

04生产工艺与快充的关系

之前分别从正负极材料、电极液等三个关键材料分析了快充对其的要求和影响，下面来讲影响比较大的工艺设计。电池制作工艺参数直接影响电池活化前后锂离子在电池各部分中的迁移阻力，因此电池制备工艺参数关于锂离子电池性能的发挥具有重要的影响。

（1）浆料

关于浆料的性质，一方面是要保持导电剂的均匀分散。因为导电剂在活性物质颗粒之间分布均匀，在活性物质之间、活性物质与集流体之间可形成较均匀的导电网络，具有收集微电流的用途，降低接触电阻，可以提高电子的移动速率。另一方面是防止导电剂的过分散。在充放电过程中，正负极材料晶体结构会发生变化，可能造成导电剂的剥离脱落，使电池内阻升高，影响性能。

（2）极片面密度

理论上来讲，倍率型电池与高容量电池不可兼得。正负极极片面密度较低时，可以增大锂离子的扩散速度，降低离子和电子迁移阻力。面密度越低，极片越薄，在充放电中锂离子不断的嵌入与脱出对极片结构造成的变化也越小。