分析锂离子电池快充技术的研究进展
来源：宝鄂实业
2019-12-07 08:01
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快充技术目前有报道采用 4.0 C~ 6.0 C 的充电电流，能实现 15 分钟内充满 100%的电量[1]。按照美国高级电池联盟的说法，快充的长期目标是 15 分钟内充入 40%的电量[2]。
实现锂离子电池快充，其技术关键在于：(1)电池可以接受较大的充电电流，这就要求电池本身极化电阻足够小；(2)电池接受大电流充电后，电池仍能保证寿命和安全性，这就要求电 池材料足够稳定。
快充型锂离子电池的制备技术
国内外于 20 世纪 90 年代初就开始了对锂离子电池的基础研究[3-4]，至今已取得重大进展。近几年，为了提高电子设备的续航能力，业界提出了锂离子电池快速充电的概念。锂离子电池快充关键在于负极[5-6]，目前比较成熟的负极是石墨或者含碳 /石墨作为缓冲的合金，然而由于充电时的极化作用，锂离子在小于 0 V vs. Li+/Li 时会在负极表面沉积，即通常所说的析锂。理论上，相同设计的电池，充电电流越大，产生的极化越大，析锂就越严重(图 1)。析锂后，不仅电池的可逆容量受到影响，而且还会带来安全隐患。所以锂离子电池根据其不同设 计，会限制充电电流上限。
目前，快充型锂离子电池的制备技术主要包括降低正极 极化、降低负极极化、提高电解液离子导电率、提高隔离膜离 子导电率等几个方面。
降低正极极化
Chi-KyunPark等人采用 19.2mg/cm2涂布质量的 LiCoO2
正极，进行了 29.0、34.5、40.0、46.0和 51.5 mm不同极板厚度
4.5
*个数量级。然而，电池活化之后，正极极板的电导率随着电解液
(a)45 ?
"9/(mAh•g)
LiNTf/G$ $Ø f¾$
Toshiki Nokami 等人通过密度泛函理论计算，设计出了有机芘 -4, 5, 9, 10- 四酮接枝 PMMA(Polymer-Bound Pyrene-4,
5,9,10-tetraone，PPYT)锂离子电池正极材料。该材料可作为优秀的正极骨架结构(图3)，并具有卓越的快速充放电能力(图 4)，在以金属锂作负极，LiN(SO2CF3)2/四乙二醇二甲醚 (LiNTf2/G4)作离子液体电解液体系中，其 30 C 下的放电容量与 1 C 相比可高达 90%。此外，该正极材料在全电池中表现出优秀的充放电性能，其0.2C的克比容量为231mAh/g，45℃下 1 C 充电 1 C 放电的 500 次循环后剩余容量为 83%[8]。
降低负极极化
国内微宏动力 2015年 1月发布了第二代快充电池，该电
池采用多孔复合碳作负极材料，其比表面达到传统石墨的 20
倍以上，该单体电池在 6C充放电下的常温循环寿命仍超过
10 000 次，成组后可满足 4 C 的充电倍率，这意味着电池组能
够在 15 分钟内充满电。该电池实用性还有待市场的检验[9]。
SeanM.等人采用 PbTe作负极活性物质，配合 20%羧甲基纤维素钠的粘结剂和 20% SuperP的导电剂，涂布在铜箔上构成锂电池的负极，采用锂箔作对电极，采用 1mol/LLiPF6(溶剂 wFEC∶wDEC=1∶1)作电解液，构成锂离子电池。通过测试，负极电位在 0.01~0.70V(vs. Li/Li+)时形成 LiPb合金，负极电位在 0.80~2.50V(vs. Li/Li+)时形成 Li2Te合金，当 Li2Te存在时， 会产生类似超导效应而降低大电流充放电产生的过电位，加快锂离子的扩散速度[10]。
Shi. H.等人分别采用石墨和焦炭作负极，锰酸锂作正极制作了锂离子电池，发现焦炭负极具有更好的快充电性能，推测这可能与石墨的锂嵌入机制有关。Newman 等人通过数学模拟模型探索了充放电过程中锂离子在负极的分布变化，进一步验证了焦炭作负极具有大倍率下快速分配锂离子的超能力[11]。
Long Chen 等人采用二维多孔石墨碳纳米片作锂离子电池的负极活性材料，以金属锂作对电极，采用 1 mol/L LiPF6(溶剂DMC∶EC∶EMC=1∶1∶1，体积比)作电解液，构成扣式锂离子电池。该电池在100mA/g的电流密度下，100次循环后可逆比容量仍高达722mAh/g，该材料展现出优秀的高倍率能力 (1 C、10 C、20 C、30 C 的倍率下克比容量发挥分别是 535、380、200、115mAh/g，1C=372mA/g)，此外，在30C的大倍率下的 570 次循环后，剩余比容量仍能达到 112 mAh/g[12]。
