電池快速充電

根據群友的要求，說說鋰電池快充的理解：

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使用此圖來說明電池充電的過程。橫坐標是時間，縱坐標是電壓。在鋰電池的初始充電階段，會有一個小電流預充電過程，即CC預充電，旨在穩定正負極材料。之後，在電池穩定後，可以將電池調整為大電流充電，即CC Fast Charge。最後進入恆壓充電模式（CV）。對於鋰電池，系統在電壓達到4.2V時啟動恆壓充電模式，充電電流逐漸減小，直到電壓低於一定值時充電結束。

在整個過程中，不同的電池有不同的標準充電電流。例如，對於3C產品，標準充電電流一般為0.1C-0.5C，而對於大功率動力電池，標準充電電流一般為1C。低充電電流也是為了電池的安全考慮。所以，平時說的快充，就是指比標準充電電流高幾倍到幾十倍。

有人說給鋰電池充電就像倒啤酒，快，灌啤酒快，但是泡沫很多。它很慢，很慢，但是啤酒很多，很結實。快速充電不僅會節省充電時間，還會損壞電池本身。由於電池內部存在極化現象，其所能接受的最大充電電流會隨著充放電循環次數的增加而降低。當連續充電且充電電流大時，電極處的離子濃度增加，極化加劇，電池端電壓不能與電荷/能量成線性比例直接對應。同時，大電流充電，內阻增大會導致焦耳熱效應（Q=I2Rt）加劇，帶來副反應，如電解液反應分解、產氣等一系列問題，風險因素突然增加，對電池安全有影響，非動力電池的壽命會大大縮短。

陽極材料

鋰電池的快速充電過程是Li+在負極材料中的快速遷移和嵌入。正極材料的粒徑會影響電池電化學過程中離子的響應時間和擴散路徑。據研究，鋰離子的擴散係數隨著材料晶粒尺寸的減小而增大。但隨著物料粒徑的減小，製漿生產中會出現顆粒嚴重團聚，造成分散不均勻。同時，納米顆粒會降低電極片的壓實密度，在充放電副反應過程中會增加與電解液的接觸面積，影響電池的性能。

更可靠的方法是通過塗層對正極材料進行改性。例如，LFP 本身的導電性不是很好。在LFP的表面塗上碳材料或其他材料，可以提高其導電性，有利於提高電池的快充性能。

陽極材料

鋰電池的快速充電意味著鋰離子可以快速出來並“遊”到負極，這就要求正極材料具有快速嵌入鋰的能力。用於鋰電池快速充電的負極材料包括碳材料、鈦酸鋰等一些新材料。

對於碳材料，在常規充電條件下，鋰離子優先嵌入石墨中，因為嵌入鋰的電位與析出鋰的電位相似。但在快速充電或低溫條件下，鋰離子可能會在表面析出，形成枝晶鋰。當枝晶鋰擊穿SEI時，造成Li+二次損失，電池容量降低。當鋰金屬達到一定程度時，就會從負極長到隔膜，造成電池短路的危險。

LTO屬於“零應變”含氧負極材料，在電池運行過程中不產生SEI，與鋰離子結合能力更強，可滿足快速充放電要求。同時，由於不能形成SEI，負極材料會直接與電解液接觸，促進副反應的發生。 LTO電池產氣問題無法解決，只能通過表面改性來緩解。

電極液

如上所述，在快速充電過程中，由於鋰離子遷移率和電子轉移率不一致，電池會產生較大的極化。所以為了盡量減少電池極化引起的負反應，電解液的發展需要以下三點：1、高離解電解液鹽； 2、溶劑複合——降低粘度； 3、界面控制——降低膜阻抗。

生產工藝與快速灌裝的關係

之前，從正負極材料和電極液三個關鍵材料分析了快速填充的要求和影響。下面是影響比較大的流程設計。電池生產的工藝參數直接影響到電池活化前後鋰離子在電池各部分的遷移阻力，因此電池製備工藝參數對鋰離子電池的性能有重要影響。

(1) 漿料

對於漿料的性能，一方面要保持導電劑的均勻分散。由於導電劑均勻分佈在活性物質的顆粒間，可在活性物質與活性物質與集流體之間形成更均勻的導電網絡，具有收集微電流的作用，降低接觸電阻，並且可以提高電子的運動速度。另一方面是防止導電劑的過度分散。在充放電過程中，正負極材料的晶體結構會發生變化，導致導電劑脫落，增加電池內阻，影響性能。

(2) 極偏密度

理論上，倍增電池和大容量電池是不兼容的。當正負極極化密度較低時，可以提高鋰離子的擴散速度，降低離子和電子遷移阻力。面密度越低，電極越薄，充放電過程中鋰離子的不斷嵌入和釋放引起的電極結構變化也較小。但是，如果面密度過低，會降低電池的能量密度，增加成本。因此，應綜合考慮面密度。下圖為鈷酸鋰電池6C充電、1C放電示例。

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(3)極片塗層一致性

之前有朋友問過，極局部密度不一致對電池有影響嗎？這裡順便說一下，對於快充性能，主要是陽極板的一致性。如果負面密度不均勻，軋製後活體材料的內部孔隙率會發生很大變化。孔隙率的不同會導致內部電流分佈的不同，進而影響電池化成階段SEI的形成和性能，最終影響電池的快充性能。

(4)極片壓實密度

為什麼柱子需要壓實？一是提高電池的比能量，二是提高電池的性能。最佳壓實密度因電極材料而異。隨著壓實密度的增加，電極片的孔隙率越小，顆粒之間的連接越緊密，在相同面密度下電極片的厚度越小，因此可以減少鋰離子的遷移路徑。當壓實密度過大時，電解液的浸潤效果不好，可能會破壞材料結構和導電劑的分佈，後期會出現纏繞問題。同樣，鈷酸鋰電池6C充電，1C放電，壓實密度對放電比容量的影響如下：

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地層老化及其他

對於碳負極電池，化成-老化是鋰電池的關鍵過程，會影響SEI的質量。 SEI的厚度不均勻或結構不穩定，都會影響電池的快充能力和循環壽命。

除了以上幾個重要因素外，電芯的製作、充放電系統都會對鋰電池的性能產生很大的影響。隨著使用時間的延長，應適度降低電池充電率，否則會加劇兩極分化。

結論

鋰電池快速充放電的本質是鋰離子可以快速脫嵌在正負極材料之間。電池的材料特性、工藝設計和充放電系統都會影響大電流充電的性能。正負極材料的結構穩定性有利於快速脫鋰過程而不引起結構坍塌，鋰離子在材料中擴散速度較快，以承受大電流充電。由於離子遷移速度與電子轉移速度不匹配，在充放電過程中會發生極化，因此應盡量減少極化，防止鋰金屬析出，降低容量影響壽命。