快充对锂离子电池寿命衰降的影响是什么
来源：宝鄂实业
2019-09-25 13:17
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快充会导致锂离子电池内部产热，锂离子电池的产热主要有可逆热和不可逆热两种，其中不可逆热如下式所示，其中U为电池的开路电压，V为电池电压，I为电流
在上述的不可逆热中有相当一部分来自电池的欧姆阻抗产热，如下式所示，其产热量与电流的平方成正比，因此在快充的过程中电池会产生更多的欧姆热。
电池充电过程中的可逆热则主要来自于电池中的熵变，根据电池的熵变可以计算电池的可逆热
相关研究表明在较低的倍率下可逆热是电池热量的主要来源，在较高的倍率电池的不可逆热则是电池的主要来源，而电池的温度对于锂离子电池的寿命具有显著的影响，因此锂离子电池在快充过程引起的电池温度变化对于锂离子电池的寿命具有重要的影响。
锂离子电池按照结构和形状主要可以分为三类：1）圆柱形；2）方形；3）软包，不同的结构的电池在不同的方向上具有不同的散热效率，例如对于圆柱形电池在直径方向上由于隔膜等导热效果较差的材料存在，因此电池内部温度较高的位置主要集中的电芯的中间位置，而对于方形电池和软包电池由于极耳位置的电流密度比较大，因此高温区域也主要集中在电池靠近极耳的位置，而且靠近正极极耳的位置通常也会比靠近负极极耳位置的温度更高。
电池内部的温度分布不均会造成电池内部电流分布的不均，同时极耳位置设计不合理也容易产生电流分布不均的现象，电流分布不均容易导致电池在充放电的过程中发生局部的过充或过放，以及副反应速度的不一致，进而导致电池内部衰降速度的不一致。温度分布的不均不仅仅发生在电池层面，在系统层面由于电池模组中单体电池的排列，冷却系统的设计等因素也会导致不同单体电池之间存在明显的温度梯度。过高的温度在正极一侧会加剧粘结剂分解、不可逆相变和过渡金属元素的溶解等问题，而负极一侧则面临SEI膜生长加速，从而消耗电池内部有限的活性Li，导致电池不可逆的容量损失，并引起电池产气。
快充引起的负极析锂
正常的情况下Li+从正极脱出迁移到负极表面，然后嵌入到负极之中，但是当负极表面由于电流过大或温度过低时会产生较大的极化，当负极表面的极化电位低于金属Li时，Li+会以金属Li的形式在负极表面析出，造成电池的库伦效率降低，容量损失，严重的情况下甚至会刺穿隔膜导致严重的安全事故。
为了提升锂离子电池的使用寿命和安全性，需要尽可能的避免锂离子电池在使用过程中发生析锂，因此人们发明了多种探测锂离子电池析锂的方法，例如光学显微镜技术、扫描电镜技术和透射电镜技术、核磁共振技术等，但是这些方法都需要对电池进行解剖，或电池生产的过程就设计成为特殊结构。因此人们还开发了多种无损探测负极析锂的方法，例如衰降速度方法、电压平台法和模型法等。
以速度衰降法为例，金属Li反应活性高，负极表面析锂后，金属Li会持续的与电解液发生反应，从而消耗有限的活性Li，从而加速锂离子电池的衰降，因此我们可以通过电池衰降速度的变化判断电池在循环过程中是否析锂。
析锂通常会导致电池的库伦效率的轻微降低，因此高精度的库伦效率仪也同样可以通过探测锂离子电池库伦效率的微小变化判断锂离子电池是否发生析锂。
部分在负极析出的金属Li在电池充电后的静置阶段能够重新嵌入到石墨负极之中，因此我们能够在电池静置过程中的电压曲线上观察到一个平台，因此我们通过观察是否出现这一平台来判断锂离子电池是否出现了析锂。
快充导致的电极粉化破碎
电极的粉化和破碎是锂离子电池常见的现象，在NCM、NCA和Si负极中我们都观察到这一现象，电极的粉化和破碎导致的活性物质损失是锂离子电池衰降的常见机理。作者根据从微观到宏观的尺度变化，将粉化和破碎现象分为以下几类：1）活性物质颗粒内部的裂纹；2）活性物质颗粒与导电剂、粘结剂分离；3）电极与集流体之间的剥离。
导致电极粉化和破碎的原因主要是快充导致的电池内部的Li浓度的变化，在快充的过程中由于脱Li和嵌Li速度较快，因此会在正极和负极内部都会产生较为显著的Li浓度梯度，从而导致锂离子电池内部的应力分布不均，进而导致了活性物质颗粒的破碎，电极的剥离等现象，引起活性物质的损失。
