限制锂离子电池快充能力因素评估

成本、能量密度、快充特性一直是评估动力电池的三大重要指标。仔细观察近年各大品牌电动汽车的发布会，快充一直是商家着力吆喝的卖点之一。最近，美国橡树岭国家实验室(Oak Ridge National Laboratory)和美国田纳西州立大学(University of Tennessee)的研究人员针对NMC811/石墨体系的快充限制因素进行了细致评估，成果详见Identifying the limiting electrode in lithium ion batteries for extreme fast ging.Electrochemistry Communications, 2018, 97: 37-41. Electrochemistry Communications是电化学领域为数不多的通讯类刊物，目前主编为牛津大学的R.G. Compton教授。虽然刊物影响因子不高(IF=4.6)，但所发表论文大多简洁明快、创新性强，因此受到很多的很多人的喜爱。

亮点：

（1）充分证明了石墨是限制电池快充能力的主要限制因素；

（2）高倍率充电由于石墨负极容量衰减过快，N/P可能小于1从而容易产生析锂；

（3）设计电池快充还要考虑高倍率充电下的扩散问题、锂盐消耗、材料选型和负载量等。


为了进一步准确评估不同充电倍率下正、负极的容量特性及排除对电极的影响，作者取了50%SOC全电池的正、负极分别制成对称电池。图2A和图2B分别NMC811和石墨对称电池的充放电曲线，图2C为不同倍率下NMC811和石墨容量密度衰减及N/P比变化。与扣电结果相似，当充电倍率高于1 C石墨容量急剧降低，而NMC811则在1/10 C到4C都还有着较好的容量保持。为了避免析锂，电池设计时都会让N/P比大于1。但如图2C所示，初始N/P=1.15，随着充电倍率提高石墨容量衰减过快，会出现N/P<1的现象(3 C充电N/P=1，4 C充电N/P=0.5)，从而极易发生析锂(图2D)。


此外，作者还利用对称电池研究了NMC811和石墨在不同温度下的EIS谱。对比图3A和图3B可以发现，尽管石墨是限制电池快充能力的重要因素，但其在各测试温度下均有较小的电荷转移电阻，表明电荷转移电阻不是限制石墨快充性能的因素。图3C所示不同温度下NMC811和石墨对称电池的Arrhenius关系，其中斜率代表各电极的解溶剂化能。尽管Li+在石墨上的解溶剂化能较小，但考虑到石墨负极厚度大于NMC811正极厚度，高充电倍率下扩散和锂盐消耗将成为限制快充的重要因素。

增大正极负载量是提高电池能量密度的有效方式之一。但如图3D所示，对于NMC532，随着负载量的提高，高倍率下容量衰减愈发明显；而由于NMC811有着更高的体积能量密度，同等负载量和高倍率下其容量衰减较NMC532弱很多。因此，正极材料负载量和种类也会影响电池快充特性，电池设计时也应予以考虑。