電池快速充電是解決電動(dòng)汽車(chē)充電便利性的關(guān)鍵突破。電池快充技術(shù)的突破將改善終端產(chǎn)品的用戶體驗(yàn)。電池快充技術(shù)已成為全球動(dòng)力電池公司參與未來(lái)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的核心競(jìng)爭(zhēng)力，并正在快速迭代創(chuàng)新。但從電池性能來(lái)看，電池快充很難與電池壽命和能量密度兼容。

同時(shí)，頻繁的快速充電將導(dǎo)致充電接受度、能量密度和功率容量的快速下降。一般認(rèn)為，電池快速充電是電池反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的問(wèn)題，涉及電解質(zhì)中的鋰離子傳輸和固態(tài)電極中的鋰鋰離子擴(kuò)散，其他性質(zhì)主要與快速充電導(dǎo)致的材料退化有關(guān)。本文主要從電池材料的角度探討了鋰離子電池在快充條件下的性能退化，并提出了未來(lái)提高鋰離子電池快充性能的一些解決方案。

1.石墨陽(yáng)極

大量研究證明，金屬鋰沉淀是鋰離子電池容量衰減和功率損失的主要原因。理論上講，在陽(yáng)極中形成鋰金屬，因?yàn)殇嚱饘俚膸?kù)侖效率低，金屬鋰容易與電解質(zhì)溶劑發(fā)生副反應(yīng)。這兩種反應(yīng)都會(huì)耗盡電池中正極和負(fù)極材料之間的活性Li+，并消耗大量電解質(zhì)，導(dǎo)致電池內(nèi)部產(chǎn)生大量氣體，導(dǎo)致SEI增長(zhǎng)失控。

然而，事實(shí)上，電池快速充電并不總是觸發(fā)鋰的演化，因?yàn)樵谡５匿囯x子電池中，石墨陽(yáng)極的阻抗遠(yuǎn)低于陰極的阻抗。許多研究表明，正常電池快速充電引起的極化不足以將石墨陽(yáng)極的電勢(shì)驅(qū)動(dòng)到金屬鋰沉積的電勢(shì)。

即使沒(méi)有金屬鋰沉淀，電池快速充電仍會(huì)加速電池的容量衰減和阻抗增長(zhǎng)。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，石墨表面SEI的失效是造成這種現(xiàn)象的主要原因之一。SEI的破壞還導(dǎo)致溶劑化Li+離子的共插層。該研究提出了兩種解決方案：

首先，減小石墨的粒度，這有利于通過(guò)減小陽(yáng)極的粒度形成穩(wěn)定的SEI，從而減少鋰離子電池在快速充電過(guò)程中的容量衰減；

第二，使用可以參與形成穩(wěn)定SEI的電解質(zhì)添加劑，通過(guò)添加添加劑，SEI膜具有良好的機(jī)械應(yīng)力，以進(jìn)一步穩(wěn)定鋰離子電池在快速充電中的性能。

2.陰極材料

與石墨陽(yáng)極材料相比，層狀陰極材料具有更高的阻抗。一般認(rèn)為，陰極具有緩慢的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和高界面/相轉(zhuǎn)移電阻被認(rèn)為是限制電池快速充電的主要因素。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，可以通過(guò)減小陰極材料的粒度來(lái)增強(qiáng)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。在實(shí)際生產(chǎn)中，層狀陰極材料以球形二次粒子的形式存在，這些二次粒子是由許多小塊單晶聚集而成的。

這些球形顆粒中單晶初級(jí)顆粒之間的低電子和離子電導(dǎo)率限制了陰極材料的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。將大的二次粒子碎裂成小的單晶材料可以增強(qiáng)層狀陰極的速率能力。值得注意的是，大量研究表明，循環(huán)過(guò)程中二次顆粒結(jié)構(gòu)中的微裂紋是層狀陰極材料性能退化的另一個(gè)重要原因，但微裂紋不是性能退化的直接原因。

相反，直接的根本原因是高充電狀態(tài)（SOC）下的氧損失，這可以通過(guò)在充電期間將SOC限制在相對(duì)較低的水平來(lái)緩解。在這方面，可以通過(guò)將SOC限制在75%來(lái)減少氧損失，并且可以通過(guò)降低充電截止電壓來(lái)簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)氧損失。另一方面，殘留的堿性物質(zhì)會(huì)顯著增加陰極的Rsl，消除或減少陰極材料表面的殘留堿是實(shí)現(xiàn)鋰離子電池快速充電的另一種有效策略。

此外，對(duì)石墨/NCA電池的研究表明，電池快速充電過(guò)程中損失的大部分容量可以通過(guò)原位補(bǔ)充Li+離子來(lái)恢復(fù)。這表明電池快速充電不會(huì)破壞NCA的晶體結(jié)構(gòu)。相反，正是活性鋰離子的損失導(dǎo)致了容量的下降。除了鋰沉淀和表面上沉淀的鋰與電解質(zhì)的反應(yīng)外，活性Li+離子的損失主要來(lái)自兩個(gè)來(lái)源：

一是石墨陽(yáng)極SEI的改造；

第二，層狀陰極材料的氧損失。

3.電解液

鋰離子電池中的電解質(zhì)主要指運(yùn)輸鋰離子的作用。電池交流阻抗譜中反映的影響電池阻抗的三個(gè)因素主要是Rb、Rsl和電荷轉(zhuǎn)移電阻（Rct），它們影響鋰離子電池的速率能力。這三個(gè)阻抗都與電解質(zhì)有關(guān)。其中，Rb主要與鋰離子在液相中的運(yùn)動(dòng)有關(guān)，但在阻抗譜中僅占總阻抗的一小部分。

換言之，Li+離子的傳輸不太可能主導(dǎo)電池快速充電極限。在高速率下，鋰離子電池的阻抗由Rsl和Rct決定，特別是Rct不僅受Rb和Rsl的影響，而且受電解質(zhì)-電極界面/界面處Li+離子的去溶劑化和溶劑化活化能的影響。因此，電解液可以通過(guò)兩種策略提高電池快速充電性能：

第一是開(kāi)發(fā)低活化能的電解質(zhì)，用于Li+離子的溶劑化和去溶劑化；

第二個(gè)是探索電解質(zhì)添加劑，其可以參與在石墨陽(yáng)極和陰極表面上形成堅(jiān)固且高導(dǎo)電的SEI。

結(jié)論

簡(jiǎn)而言之，鋰離子電池快速充電面臨兩個(gè)挑戰(zhàn)，包括：

陽(yáng)極的SEI失效，導(dǎo)致石墨剝落和電解液中溶劑的大量消耗；

慢電極反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、層狀界面電阻以及Li+的溶劑化和脫溶劑化的高活化能是相關(guān)的。

從電池材料的角度來(lái)看，可以實(shí)施的提高電池快速充電性能的策略包括：

減小石墨的粒度以穩(wěn)定SEI；

陰極材料的單結(jié)晶以增強(qiáng)陰極反應(yīng)動(dòng)力學(xué)；

開(kāi)發(fā)具有低溶劑化和去溶劑化活化能的電解質(zhì)，并開(kāi)發(fā)新的添加劑以增強(qiáng)SEI膜對(duì)機(jī)械應(yīng)力的抵抗力。