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鋰電池快充技術變革 影響快充的因素有哪些?

鉅大LARGE  |  點擊量:437次  |  2018年06月25日  

摘要
每一種鋰電池在不同狀態參數和環境參數下都存在一個最優充電電流值,那么,從電池結構上看,影響這個最優充電值的因素都有哪些。

每一種鋰電池在不同狀態參數和環境參數下都存在一個最優充電電流值,那么,從電池結構上看,影響這個最優充電值的因素都有哪些。

充電的微觀過程

鋰電池被稱為“搖椅型”電池,帶電離子在正負極之間運動,實現電荷轉移,給外部電路供電或者從外部電源充電。具體的充電過程中,外電壓加載在電池的兩極,鋰離子從正極材料中脫嵌,進入電解液中,同時產生多余電子通過正極集流體,經外部電路向負極運動;鋰離子在電解液中從正極向負極運動,穿過隔膜到達負極;經過負極表面的SEI膜嵌入到負極石墨層狀結構中,并與電子結合。

在整個離子和電子的運行過程中,對電荷轉移產生影響的電池結構,無論電化學的還是物理的,都將對快速充電性能產生影響。

快充,對電池各部分的要求

對于電池來說,如果要提升功率性能,需要在電池整體的各個環節中都下功夫,主要包括正極、負極、電解液、隔膜和結構設計等。

正極

實際上,各種正極材料幾乎都可以用來制造快充型電池,主要需要保證的性能包括電導(減少內阻)、擴散(保證反應動力學)、壽命(不需要解釋)、安全(不需要解釋)、適當的加工性能(比表面積不可太大,減少副反應,為安全服務)。

當然,對于每種具體材料要解決的問題可能有所差異,但是我們一般常見的正極材料都可以通過一系列的優化來滿足這些要求,但是不同材料也有所區別:

A、磷酸鐵鋰可能更側重于解決電導、低溫方面的問題。進行碳包覆,適度納米化(注意,是適度,絕對不是越細越好的簡單邏輯),在顆粒表面處理形成離子導體都是最為典型的策略。

B、三元材料本身電導已經比較好,但是其反應活性太高,因此三元材料少有進行納米化的工作(納米化可不是什么萬金油式的材料性能提升的解藥,尤其是在電池領域中有時還有好多反作用),更多在注重安全性和抑制(與電解液的)副反應,畢竟目前三元材料的一大命門就在于安全,近來的電池安全事故頻發也對此方面提出了更高的要求。

C、錳酸鋰是則對于壽命更為看重,目前市面上也有不少錳酸鋰系的快充電池。

負極

鋰離子電池充電的時候,鋰向負極遷移。而快充大電流帶來的過高電位會導致負極電位更負,此時負極迅速接納鋰的壓力會變大,生成鋰枝晶的傾向會變大,因此快充時負極不僅要滿足鋰擴散的動力學要求,更要解決鋰枝晶生成傾向加劇帶來的安全性問題,所以快充電芯實際上主要的技術難點為鋰離子在負極的嵌入。

A、目前市場上占有統治地位的負極材料仍然是石墨(占市場份額的90%左右),根本原因無他——便宜,以及石墨綜合的加工性能、能量密度方面都比較優秀,缺點相對較少。石墨負極當然也有問題,其表面對于電解液較為敏感,鋰的嵌入反應帶有強的方向性,因此進行石墨表面處理,提高其結構穩定性,促進鋰離子在基上的擴散是主要需要努力的方向。

B、硬碳和軟碳類材料近年來也有不少的發展:硬碳材料嵌鋰電位高,材料中有微孔因此反應動力學性能良好;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角度上看希望不大),因此目前用量遠不及石墨,更多用在一些特種電池上。

C、鈦酸鋰如何?簡單說一下:鈦酸鋰的優點是功率密度高,較安全,缺點也明顯,能量密度很低,按Wh計算成本很高。因此對于鈦酸鋰電池的觀點是一種有用的在特定場合下有優勢的技術,但是對于很多對成本、續航里程要求較高的場合并不太適用。

D、硅負極材料是重要的發展方向,松下的新型18650電池已經開始了對此類材料的商用進程。但是如何在納米化追求性能與電池工業對于材料的一般微米級的要求方面達到一個平衡,仍是比較有挑戰性的工作。

隔膜

對于功率型電池,大電流工作對其安全、壽命上提供了更高的要求。隔膜涂層技術是繞不開的,陶瓷涂層隔膜因為其高安全、可以消耗電解液中雜質等特性正在迅速推開,尤其對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隔膜表面,比較新穎的做法是將固態電解質纖維涂在隔膜上,這樣的隔膜的內阻更低,纖維對于隔膜的力學支撐效果更優,而且在服役過程中其堵塞隔膜孔的傾向更低。

涂層以后的隔膜,穩定性好,即使溫度比較高,也不容易收縮變形導致短路,清華大學材料學院南策文院士課題組技術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。

電解液

電解液對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定和安全性,此時電解液要滿足以下幾個特性:A)不能分解,B)導電率要高,C)對正負極材料是惰性的,不能反應或溶解。

如果要達到這幾個要求,關鍵要用到添加劑和功能電解質。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、防過充電類的添加劑保護,才能一定程度上提高其安全性。而鈦酸鋰電池的老大難問題,高溫脹氣,也得靠高溫功能型電解液改善。

電池結構設計

典型的一個優化策略就是疊層式VS卷繞式,疊層式電池的電極之間相當于是并聯關系,卷繞式則相當于是串聯,因此前者內阻要小的多,更適合用于功率型場合。

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

總之,影響電池內部電荷移動和嵌入電極孔穴速率的因素,都會影響鋰電池快速充電能力。

快充技術的未來

電動汽車快充技術,是歷史的方向還是曇花一現過眼云煙,其實現在眾說紛紜,并沒有定論。作為解決里程焦慮的一個備選方案,它與電池能量密度和整體用車成本放在一個平臺去考量。

能量密度與快充性能,在同一只電池中,可以說是不相容的兩個方向,不可兼得。電池能量密度的追求,目前看是主流。當能量密度足夠高,一臺車裝載電量足夠大,足以避免所謂“里程焦慮”,電池倍率充電性能的需求就會降低;同時,電量大了,如果電池度電成本不夠低,那么是否要可丁可卯的購買足以“不焦慮”的電量,就需要消費者做出選擇,這么一想,快充就有存在的價值。另外一個角度,就是快充配套設施成本,這當然是整個社會推電動化的成本的一部分。

快充技術是否能夠得到大面積推廣,能量密度和快充技術誰發展的快,兩個技術誰降成本降得狠,可能對其未來前途起到相當的決定性作用。

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