鉅大鋰電 | 點擊量：0次 | 2020年01月16日
CATL/國軒動力電池快充路徑解析
眾所周知，新能源汽車銷售痛點之一是充電時間長。
尤其是在補貼退坡，市場銷量下行的情況下，發展電池快充技術，縮短充電時長，提升駕駛體驗，對開拓新能源汽車市場至關重要。
不過電池在快充時，如果負極沒有高速嵌鋰能力，就會出現鋰枝晶和發生析鋰，進而導致電池容量不可逆衰減和縮短使用壽命。
另外電池升溫快，會產生大量熱，容易短路起火。還有電解液方面，需要較高導電率，并且不與正負極反應，能抗高溫，阻燃，防過充。
從充電策略來看，主要分恒定電流，恒定電壓，分階段充電三種方式。
恒定電流，恒定電壓充電成本低，系統電路簡單，但時間過長，效率不高。如果電流或電壓變大，能縮短時長，但縮短電池使用壽命。分階段充電法，由于電池每家設計不同，根本無法統一。
從電池研發考慮，當前通用負極材料依然是石墨。不過在充電過程中，負極石墨對電解液較敏感，具有很強的方向性，嵌鋰特性不高。
如果負極石墨改為硅碳，一位軟包電池企業的研發負責人向高工鋰電介紹，目前特斯拉快充的電池是石墨復配5%氧化硅。
國內的話，電池負極硅含量還沒有超過5%。原因是負極硅碳充電時，材料膨脹性大，電池衰減嚴重，難以大批量商業化應用。要想大批量，硅含量至少要達到10%-20%才行。
此外該高層還表示，電池充電速度取決于正負電極基體的傳質速度。充電端用高壓高功率，設計充電策略只是外部優化。根本上解決充電慢，必須要對電池正負極材料體系變革才行。
同時，一位主機廠的高級技術工程師表示，關于三元、磷酸鐵鋰、錳酸鋰、鈦酸鋰等電池材料快充方式大致相似，均是先恒流（大電流）快速充電，再恒壓（降低電流）慢充，直到最終充滿。
在快充難點上，他認為主要集中在充電時如何控制溫升副反應、負極析鋰、容量衰減、以及適合電池SOC等參數的充電策略。
據高工鋰電了解，在電池快充方面，國內電池企業有寧德時代、比亞迪、合肥國軒、微宏動力、萬向一二三等很多企業參與研發。
其中專注電池本身性能提升的典型代表是寧德時代，做電池充電優化策略的代表是合肥國軒。
寧德時代：超級電池快充
寧德時代在快充方面，主要是針對電池材料體系研究。通過突破電池電化學體系固有瓶頸，研發出兼顧安全、高能量密度的超級快充技術。
從原理上看，充電時，如圖1所示，電池正極的鋰離子經過電解液運動到負極。作為負極的石墨呈層狀結構，它有很多微孔，以供到達負極的鋰離子嵌入。嵌入的鋰離子越多，充電容量越高。
圖1電池充電示意圖
快速充電時，鋰離子要加速瞬時嵌入到負極。這就需要負極能快速接收鋰離子。普通材料體系的電池在快充時負極會出現副產物，例如鋰枝晶，進而縮減電芯的循環壽命和穩定性。
圖2寧德時代快充技術
如圖2所示為寧德時代的快充技術，15分鐘可將電池荷電狀態（SOC）從8%增加到80%。其創新依然是快離子環和“超電子網”。
快離子環是在負極石墨表面打造一圈高速通道，讓鋰離子能快速嵌入石墨的任何位置，大大提高鋰離子在石墨負極的嵌入速度。并且要保證快充時，能兼顧高能量密度特性，不會在負極出現副產物，影響電芯循環壽命和穩定性。
“超電子網”用來修飾正極材料。具體是結合鋰電池正負極極片的晶體取向系數等設計調配，起到優化電解液、正負極的動力學性能，使化學體系和電池設計參數達到最優匹配。
當然，為了確保快充電芯的安全可靠性，寧德時代的技術能算出在不同溫度和SOC狀態下的“健康充電區間”。
隨后將充電電流保持在“健康充電區間”范圍，即可以實現快速充電，又可以不讓電池受到快充的損害，做到快充、長循環和安全可靠性兼顧。
合肥國軒：充電策略優化
合肥國軒針對電池快速充電，發明專利是一種鋰離子充電策略優化方法，如圖3所示，主要分三階段實施。
第一階段，將多個電池分別以不同充電倍率充電，以相同放電倍率放電。循環多次，根據電池容量最終保持率和電池負極有無析鋰，確定析鋰充電倍率C2。
第二階段，以析鋰充電倍率C2充電至不同SOC狀態，再以相同析鋰放電倍率放電。循環多次。根據最終電池負極有無析鋰，確定析鋰充電倍率C2下不析鋰的SOC1。
第三階段，以低于析鋰充電倍率C2的方式充電至90%SOC，再以0.2C充電至95%SOC，隨后以0.1C充滿。最后循環多次放電，根據電池負極有無析鋰確定高電壓下不析鋰充電倍率C3.
合肥國軒的該項專利通過測定電池充電允許的最大持續倍率及對應的截止SOC，進而確定最佳充電策略。
該方法好處是保證電池循環性能，減少實際充電時間，也可用于不同廠商電池充電性能對標，有利于提升電池設計與制作水平。
圖3充電優化流程圖
參考文獻：
[1]合肥國軒高科動力能源有限公司一種鋰離子電池充電策略的優化方法[P]:中國2019-3-29
[2]解析寧德時代四大動力電池核心技術[OL]：高工鋰電2019-9-12
