该如何改善电动汽车电池的快充性能

（文章来源：百家号）

传统的锂离子电池以石墨为负极活性物质，石墨的嵌锂电位与金属Li接近，因此在大电流充电的过程中非常容易出现析锂的问题，有研究表明在石墨负极表面包覆一层1%的Al2O3能够将石墨负极在4000mA/g的大电流密度下的容量提升到337.1mAh/g。此外，Li4Ti5O12材料虽然容量较低，但是其快充性能非常优异，并且具有非常好的循环稳定性，同时其较高的电位也让负极析锂的风险几乎不存在，非常适合作为快充锂离子电池的负极材料。

除了负极材料的选择，负极/电解液界面的改造也是提升锂离子电池快充性能的有效方法，石墨表面包覆无定形碳、金属包覆和掺杂（如Cu和Sn）等都是改善石墨负极快充性能的有效方法。同时石墨材料的晶体结构也会对其倍率性能产生显著的影响，研究表明中间相的软碳的快充性能要明显好于中间相石墨和硬碳材料。

除了材料的选择之外，如何进行电极设计也对电池的快充性能有显著的影响，例如研究表明提升电极的孔隙率能够有效的提升电池的快充性能，同时提高N/P比也能够有效的减少负极析锂的风险，提升电池的倍率性能。

除了电极的结构设计，锂离子电池的结构设计也对锂离子电池的快充性能有显著的影响，极耳的位置、材料、结构和焊接方式的选择都会影响电池内部电流的分布，同时电池的形状也会影响电池内部温度的分布，进而影响锂离子电池内部电流的分布，不均匀的电流分布更容易引起电池极化增加，导致局部析锂，从而影响电池快充性能。

虽然对于锂离子电池快充性能的研究比较多，但是对于电池组快充性能的研究仍然比较少，有研究显示日产聆风电动汽车的电池组在2C倍率充电时，衰降速度要远远快于采用同样充电速度的单体电池，研究显示这主要是电池组内部的单体电池之间的积累的偏差导致的，因此电池组快充性能的提升不但需要高性能的单体电池，还对电池组的充电管理和热管理系统提出了非常高的要求。

恒流恒压充电（CCCV）是最传统的一种充电方式，该方式首先采用较大电流进行恒流充电，在达到截止电压后，转为恒压充电，不断降低充电电流，从而尽可能的减少电池的极化。因此对于这种传统的充电方式而言，缩短充电时间最有效的方法就是提高充电电流，但是提升充电电流一方面会导致极化增加，增加恒压充电的时间，另一方面大电流充电也会导致负极析锂，因此对于快充而言选择合适的充电策略也是非常重要的内容。

石墨负极随着嵌锂量的增加，Li+的固相扩散系数会持续降低，根据石墨负极的这一特点，多步恒流充电法应运而生。多步恒流充电法在恒流充电阶段包含多个恒流电流值，其中在开始的时候一般会选择较大的充电电流，进入到充电的末期，恒流电流值会降低，从而避免负极析锂，在经过多步（至少两步）恒流充电后，电池进入恒压充电阶段。通过在初期大电流的应用，可以有效的缩短充电时间，目前多数的电动汽车快充策略均为这一方案。

脉冲充电是用大电流对电池进行短时间充电，然后是一段静置，甚至是放电，紧接着再次进行大电流脉冲充电的方法，这一方法的主要目的是通过静置消除极化，减少负极析锂的风向，部分策略增加放电过程的目的是通过放电消除负极表面析出的金属Li，从而在缩短充电的时间的同时，提升锂离子电池的循环寿命。

这一充电策略类似于多步法恒流充电策略，但是其初期的充电电流远远高于多步法充电策略，有研究显示在开始充电时增加5min的加速充电电流，可以将充电时间缩短30-40%（相比于1C CCCV充电），而不会对电池的寿命产生显著的影响。