充電的微觀過(guò)程

鋰電池被稱為“搖椅型”電池，帶電離子在正負(fù)極之間運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)電荷轉(zhuǎn)移，給外部電路供電或者從外部電源充電。具體的充電過(guò)程中，外電壓加載在電池的兩極，鋰離子從正極材料中脫嵌，進(jìn)入電解液中，同時(shí)產(chǎn)生多余電子通過(guò)正極集流體，經(jīng)外部電路向負(fù)極運(yùn)動(dòng);鋰離子在電解液中從正極向負(fù)極運(yùn)動(dòng)，穿過(guò)隔膜到達(dá)負(fù)極;經(jīng)過(guò)負(fù)極表面的SEI膜嵌入到負(fù)極石墨層狀結(jié)構(gòu)中，并與電子結(jié)合。

在整個(gè)離子和電子的運(yùn)行過(guò)程中，對(duì)電荷轉(zhuǎn)移產(chǎn)生影響的電池結(jié)構(gòu)，無(wú)論電化學(xué)的還是物理的，都將對(duì)快速充電性能產(chǎn)生影響。

快充，對(duì)電池各部分的要求

對(duì)于電池來(lái)說(shuō)，如果要提升功率性能，需要在電池整體的各個(gè)環(huán)節(jié)中都下功夫，主要包括正極、負(fù)極、電解液、隔膜和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。

正極

實(shí)際上，各種正極材料幾乎都可以用來(lái)制造快充型電池，主要需要保證的性能包括電導(dǎo)(減少內(nèi)阻)、擴(kuò)散(保證反應(yīng)動(dòng)力學(xué))、壽命(不需要解釋)、安全(不需要解釋)、適當(dāng)?shù)募庸ば阅?比表面積不可太大，減少副反應(yīng)，為安全服務(wù))。

當(dāng)然，對(duì)于每種具體材料要解決的問(wèn)題可能有所差異，但是我們一般常見(jiàn)的正極材料都可以通過(guò)一系列的優(yōu)化來(lái)滿足這些要求，但是不同材料也有所區(qū)別：

A、磷酸鐵鋰可能更側(cè)重于解決電導(dǎo)、低溫方面的問(wèn)題。進(jìn)行碳包覆，適度納米化(注意，是適度，絕對(duì)不是越細(xì)越好的簡(jiǎn)單邏輯)，在顆粒表面處理形成離子導(dǎo)體都是最為典型的策略。

B、三元材料本身電導(dǎo)已經(jīng)比較好，但是其反應(yīng)活性太高，因此三元材料少有進(jìn)行納米化的工作(納米化可不是什么萬(wàn)金油式的材料性能提升的解藥，尤其是在電池領(lǐng)域中有時(shí)還有好多反作用)，更多在注重安全性和抑制(與電解液的)副反應(yīng)，畢竟目前三元材料的一大命門就在于安全，近來(lái)的電池安全事故頻發(fā)也對(duì)此方面提出了更高的要求。

C、錳酸鋰是則對(duì)于壽命更為看重，目前市面上也有不少錳酸鋰系的快充電池。

負(fù)極

鋰離子電池充電的時(shí)候，鋰向負(fù)極遷移。而快充大電流帶來(lái)的過(guò)高電位會(huì)導(dǎo)致負(fù)極電位更負(fù)，此時(shí)負(fù)極迅速接納鋰的壓力會(huì)變大，生成鋰枝晶的傾向會(huì)變大，因此快充時(shí)負(fù)極不僅要滿足鋰擴(kuò)散的動(dòng)力學(xué)要求，更要解決鋰枝晶生成傾向加劇帶來(lái)的安全性問(wèn)題，所以快充電芯實(shí)際上主要的技術(shù)難點(diǎn)為鋰離子在負(fù)極的嵌入。

A、目前市場(chǎng)上占有統(tǒng)治地位的負(fù)極材料仍然是石墨(占市場(chǎng)份額的90%左右)，根本原因無(wú)他——便宜，以及石墨綜合的加工性能、能量密度方面都比較優(yōu)秀，缺點(diǎn)相對(duì)較少。石墨負(fù)極當(dāng)然也有問(wèn)題，其表面對(duì)于電解液較為敏感，鋰的嵌入反應(yīng)帶有強(qiáng)的方向性，因此進(jìn)行石墨表面處理，提高其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，促進(jìn)鋰離子在基上的擴(kuò)散是主要需要努力的方向。

B、硬碳和軟碳類材料近年來(lái)也有不少的發(fā)展：硬碳材料嵌鋰電位高，材料中有微孔因此反應(yīng)動(dòng)力學(xué)性能良好;而軟碳材料與電解液相容性好，MCMB材料也很有代表性，只是硬軟碳材料普遍效率偏低，成本較高(而且想像石墨一樣便宜恐怕從工業(yè)角度上看希望不大)，因此目前用量遠(yuǎn)不及石墨，更多用在一些特種電池上。

C、鈦酸鋰如何?簡(jiǎn)單說(shuō)一下：鈦酸鋰的優(yōu)點(diǎn)是功率密度高，較安全，缺點(diǎn)也明顯，能量密度很低，按Wh計(jì)算成本很高。因此對(duì)于鈦酸鋰電池的觀點(diǎn)是一種有用的在特定場(chǎng)合下有優(yōu)勢(shì)的技術(shù)，但是對(duì)于很多對(duì)成本、續(xù)航里程要求較高的場(chǎng)合并不太適用。

D、硅負(fù)極材料是重要的發(fā)展方向，松下的新型18650電池已經(jīng)開始了對(duì)此類材料的商用進(jìn)程。但是如何在納米化追求性能與電池工業(yè)對(duì)于材料的一般微米級(jí)的要求方面達(dá)到一個(gè)平衡，仍是比較有挑戰(zhàn)性的工作。

隔膜

對(duì)于功率型電池，大電流工作對(duì)其安全、壽命上提供了更高的要求。隔膜涂層技術(shù)是繞不開的，陶瓷涂層隔膜因?yàn)槠涓甙踩⒖梢韵碾娊庖褐须s質(zhì)等特性正在迅速推開，尤其對(duì)于三元電池安全性的提升效果格外顯著。

陶瓷隔膜目前主要使用的體系是把氧化鋁顆粒涂布在傳統(tǒng)隔膜表面，比較新穎的做法是將固態(tài)電解質(zhì)纖維涂在隔膜上，這樣的隔膜的內(nèi)阻更低，纖維對(duì)于隔膜的力學(xué)支撐效果更優(yōu)，而且在服役過(guò)程中其堵塞隔膜孔的傾向更低。

涂層以后的隔膜，穩(wěn)定性好，即使溫度比較高，也不容易收縮變形導(dǎo)致短路，清華大學(xué)材料學(xué)院南策文院士課題組技術(shù)支持的江蘇清陶能源公司在此方面就有一些代表性的工作，隔膜如下圖所示。

涂布固態(tài)電解質(zhì)纖維的隔膜

電解液

電解液對(duì)于快充鋰離子電池的性能影響很大。要保證電池在快充大電流下的穩(wěn)定和安全性，此時(shí)電解液要滿足以下幾個(gè)特性：A)不能分解，B)導(dǎo)電率要高，C)對(duì)正負(fù)極材料是惰性的，不能反應(yīng)或溶解。

如果要達(dá)到這幾個(gè)要求，關(guān)鍵要用到添加劑和功能電解質(zhì)。比如三元快充電池的安全受其影響很大，必須向其中加入各種抗高溫類、阻燃類、防過(guò)充電類的添加劑保護(hù)，才能一定程度上提高其安全性。而鈦酸鋰電池的老大難問(wèn)題，高溫脹氣，也得靠高溫功能型電解液改善。

電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

典型的一個(gè)優(yōu)化策略就是疊層式VS卷繞式，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。

另外也可以在極耳數(shù)目上下功夫，解決內(nèi)阻和散熱問(wèn)題。此外使用高電導(dǎo)的電極材料、使用更多的導(dǎo)電劑、涂布更薄的電極也都是可以考慮的策略。

總之，影響電池內(nèi)部電荷移動(dòng)和嵌入電極孔穴速率的因素，都會(huì)影響鋰電池快速充電能力。