鉅大LARGE | 點(diǎn)擊量：1204次 | 2020年01月16日
CATL/國(guó)軒動(dòng)力電池快充路徑解析
眾所周知，新能源汽車銷售痛點(diǎn)之一是充電時(shí)間長(zhǎng)。
尤其是在補(bǔ)貼退坡，市場(chǎng)銷量下行的情況下，發(fā)展電池快充技術(shù)，縮短充電時(shí)長(zhǎng)，提升駕駛體驗(yàn)，對(duì)開拓新能源汽車市場(chǎng)至關(guān)重要。
不過電池在快充時(shí)，如果負(fù)極沒有高速嵌鋰能力，就會(huì)出現(xiàn)鋰枝晶和發(fā)生析鋰，進(jìn)而導(dǎo)致電池容量不可逆衰減和縮短使用壽命。
另外電池升溫快，會(huì)產(chǎn)生大量熱，容易短路起火。還有電解液方面，需要較高導(dǎo)電率，并且不與正負(fù)極反應(yīng)，能抗高溫，阻燃，防過充。
從充電策略來看，主要分恒定電流，恒定電壓，分階段充電三種方式。
恒定電流，恒定電壓充電成本低，系統(tǒng)電路簡(jiǎn)單，但時(shí)間過長(zhǎng)，效率不高。如果電流或電壓變大，能縮短時(shí)長(zhǎng)，但縮短電池使用壽命。分階段充電法，由于電池每家設(shè)計(jì)不同，根本無法統(tǒng)一。
從電池研發(fā)考慮，當(dāng)前通用負(fù)極材料依然是石墨。不過在充電過程中，負(fù)極石墨對(duì)電解液較敏感，具有很強(qiáng)的方向性，嵌鋰特性不高。
如果負(fù)極石墨改為硅碳，一位軟包電池企業(yè)的研發(fā)負(fù)責(zé)人向高工鋰電介紹，目前特斯拉快充的電池是石墨復(fù)配5%氧化硅。
國(guó)內(nèi)的話，電池負(fù)極硅含量還沒有超過5%。原因是負(fù)極硅碳充電時(shí)，材料膨脹性大，電池衰減嚴(yán)重，難以大批量商業(yè)化應(yīng)用。要想大批量，硅含量至少要達(dá)到10%-20%才行。
此外該高層還表示，電池充電速度取決于正負(fù)電極基體的傳質(zhì)速度。充電端用高壓高功率，設(shè)計(jì)充電策略只是外部?jī)?yōu)化。根本上解決充電慢，必須要對(duì)電池正負(fù)極材料體系變革才行。
同時(shí)，一位主機(jī)廠的高級(jí)技術(shù)工程師表示，關(guān)于三元、磷酸鐵鋰、錳酸鋰、鈦酸鋰等電池材料快充方式大致相似，均是先恒流（大電流）快速充電，再恒壓（降低電流）慢充，直到最終充滿。
在快充難點(diǎn)上，他認(rèn)為主要集中在充電時(shí)如何控制溫升副反應(yīng)、負(fù)極析鋰、容量衰減、以及適合電池SOC等參數(shù)的充電策略。
據(jù)高工鋰電了解，在電池快充方面，國(guó)內(nèi)電池企業(yè)有寧德時(shí)代、比亞迪、合肥國(guó)軒、微宏動(dòng)力、萬向一二三等很多企業(yè)參與研發(fā)。
其中專注電池本身性能提升的典型代表是寧德時(shí)代，做電池充電優(yōu)化策略的代表是合肥國(guó)軒。
寧德時(shí)代：超級(jí)電池快充
寧德時(shí)代在快充方面，主要是針對(duì)電池材料體系研究。通過突破電池電化學(xué)體系固有瓶頸，研發(fā)出兼顧安全、高能量密度的超級(jí)快充技術(shù)。
從原理上看，充電時(shí)，如圖1所示，電池正極的鋰離子經(jīng)過電解液運(yùn)動(dòng)到負(fù)極。作為負(fù)極的石墨呈層狀結(jié)構(gòu)，它有很多微孔，以供到達(dá)負(fù)極的鋰離子嵌入。嵌入的鋰離子越多，充電容量越高。
圖1電池充電示意圖
快速充電時(shí)，鋰離子要加速瞬時(shí)嵌入到負(fù)極。這就需要負(fù)極能快速接收鋰離子。普通材料體系的電池在快充時(shí)負(fù)極會(huì)出現(xiàn)副產(chǎn)物，例如鋰枝晶，進(jìn)而縮減電芯的循環(huán)壽命和穩(wěn)定性。
圖2寧德時(shí)代快充技術(shù)
如圖2所示為寧德時(shí)代的快充技術(shù)，15分鐘可將電池荷電狀態(tài)（SOC）從8%增加到80%。其創(chuàng)新依然是快離子環(huán)和“超電子網(wǎng)”。
快離子環(huán)是在負(fù)極石墨表面打造一圈高速通道，讓鋰離子能快速嵌入石墨的任何位置，大大提高鋰離子在石墨負(fù)極的嵌入速度。并且要保證快充時(shí)，能兼顧高能量密度特性，不會(huì)在負(fù)極出現(xiàn)副產(chǎn)物，影響電芯循環(huán)壽命和穩(wěn)定性。
“超電子網(wǎng)”用來修飾正極材料。具體是結(jié)合鋰電池正負(fù)極極片的晶體取向系數(shù)等設(shè)計(jì)調(diào)配，起到優(yōu)化電解液、正負(fù)極的動(dòng)力學(xué)性能，使化學(xué)體系和電池設(shè)計(jì)參數(shù)達(dá)到最優(yōu)匹配。
當(dāng)然，為了確?？斐潆娦镜陌踩煽啃?，寧德時(shí)代的技術(shù)能算出在不同溫度和SOC狀態(tài)下的“健康充電區(qū)間”。
隨后將充電電流保持在“健康充電區(qū)間”范圍，即可以實(shí)現(xiàn)快速充電，又可以不讓電池受到快充的損害，做到快充、長(zhǎng)循環(huán)和安全可靠性兼顧。
合肥國(guó)軒：充電策略優(yōu)化
合肥國(guó)軒針對(duì)電池快速充電，發(fā)明專利是一種鋰離子充電策略優(yōu)化方法，如圖3所示，主要分三階段實(shí)施。
第一階段，將多個(gè)電池分別以不同充電倍率充電，以相同放電倍率放電。循環(huán)多次，根據(jù)電池容量最終保持率和電池負(fù)極有無析鋰，確定析鋰充電倍率C2。
第二階段，以析鋰充電倍率C2充電至不同SOC狀態(tài)，再以相同析鋰放電倍率放電。循環(huán)多次。根據(jù)最終電池負(fù)極有無析鋰，確定析鋰充電倍率C2下不析鋰的SOC1。
第三階段，以低于析鋰充電倍率C2的方式充電至90%SOC，再以0.2C充電至95%SOC，隨后以0.1C充滿。最后循環(huán)多次放電，根據(jù)電池負(fù)極有無析鋰確定高電壓下不析鋰充電倍率C3.
合肥國(guó)軒的該項(xiàng)專利通過測(cè)定電池充電允許的最大持續(xù)倍率及對(duì)應(yīng)的截止SOC，進(jìn)而確定最佳充電策略。
該方法好處是保證電池循環(huán)性能，減少實(shí)際充電時(shí)間，也可用于不同廠商電池充電性能對(duì)標(biāo)，有利于提升電池設(shè)計(jì)與制作水平。
圖3充電優(yōu)化流程圖
參考文獻(xiàn)：
[1]合肥國(guó)軒高科動(dòng)力能源有限公司一種鋰離子電池充電策略的優(yōu)化方法[P]:中國(guó)2019-3-29
[2]解析寧德時(shí)代四大動(dòng)力電池核心技術(shù)[OL]：高工鋰電2019-9-12
