新能源商务车商家浅谈高比能量锂离子电池相关知识

　　相信很多人都有梦想，研发新能源商务车锂离子电池工作人员也不例外，我有一个梦想：“有朝一日，我可以设计出一款兼具快充、高比能量和长寿命特性的锂离子电池！”这些功能很难同时实现。我们的新能源商务车锂离子电池设计人员都知道，快速充电会严重影响锂离子电池的寿命，往往是因为Li+迅速嵌入负极石墨栅中，会在石墨材料中造成严重的机械应力，导致石墨负极材料的分层和颗粒破碎问题，除了充电速度过快或充电过程中电池温度过低外，都可能导致金属Li在负极表面析出，从而导致锂离子的可逆容量损失电池和循环寿命衰减。

　　动力电池具有更高的比能量，因此减少动力电池的充电时间是一项更具挑战性的任务。为了解决这个问题，国外一家慕尼黑工业大学的Franz B. Spingler分析了锂的不可逆负位移、电池的不可逆体积膨胀和电池容量损失之间的关系，并在此基础上设计了对高能电池进行快速充电。机构方面，与1C倍率恒流恒压充电相比，该系统可减少11%的充电时间和16%的容量损失（200次循环）。

　　实验使用的NCM/石墨软包电池容量为3.3 Ah。电池的基本特性如下表所示。电池放置在保温箱中。在整个充放电过程中，激光测厚仪会跟随电池的长度。连续测量其方向的厚度，利用红外温度传感器跟踪锂离子电池表面的温度变化。

　　Franz B.Spingler首先分析了温度对锂离子电池膨胀特性的影响。当电池温度从0℃恢复到45℃时，整个电池的平均膨胀率为1.2um/℃。需要注意到整个电池的膨胀不均匀，电池边缘膨胀较大，电池局部膨胀速度范围为0.6um/°C~3.4um/°C，折算成膨胀系数为1.2×10-4/°C~7.0x10- 4/°C，平均为 2.5x10-4/°C。测量温度引起的锂离子电池膨胀的主要原因是因为锂离子电池在充电过程中会出现温度升高，这也会导致锂离子电池膨胀，并且温度膨胀需要与锂离子电池的整体膨胀分开。出来。

　　如分别为 CCC-CV 在 0.5C、1.0C、1.5C 和 2C 充电过程中的体积膨胀。直线曲线是直接测量得到的电池膨胀曲线。实线是温度引起的扣除系数。电池的膨胀曲线。我们可以注意到，在电池从恒流充电到恒压充电的初期，在大电流（1.5C和2.0C）充电过程中，电池膨胀开始出现过冲（overshoot）然后下降，在恒压下收费。结束前消失。首先，我们来看看2.0C充电。本次扩容的过冲达到40um左右，占SoC电池0-100%扩容总量的25%。

　　如果电池膨胀的峰值是由于锂沉积在负极表面，那么在金属锂重新嵌入负极的过程中，电压曲线上会形成一个平台。因此，为了验证上述假设是否正确，Franz B. Spingler 有不同的电池。当 CC-CV 充电以中断速率达到 90%（体积膨胀峰值的顶部）时，记录电池电压。从静态电压曲线可以看出，0.5C和1.0C倍率充电。电池中断后电池迅速下降，充电速率在1.5C以上的电池在电压下降过程中具有明显的电压平台，尤其是2.0C和2.5C充电的电池。电压平台非常明显。

　　新能源商务车锂离子电池在充电过程中产生的体积膨胀并不是完全可逆的。下图为不同充电倍率下电池的容量损失、平均不可逆体积膨胀和最大不可逆体积膨胀。从图中我们注意到，电池的不可逆体积膨胀与电池的容量损失有很强的相关性。计算表明，平均不可逆体积膨胀与电池容量损失的相关性为0.945，最大不可逆体积膨胀与电池容量损失有关。性高达 0.996。

　　Franz B. Spinger 的研究发现，电池边缘处的不可逆体积膨胀往往更为严重。为了解释这种现象，Franz B. Spingler 将在以 0.5-2.0 C 倍率充电后对电池进行剖析。解剖两个负极后，从下图a可以看出，电池的边缘位置往往更加不可逆，体积膨胀更加严重。在解剖的负极表面，我们发现在这些位置有明显的金属锂沉淀。这表明电池的不可逆体积膨胀和容量损失与金属锂在负极表面的析出密切相关。

　　从以上分析不难看出，负极表面的不可逆金属Li析出与电池的不可逆体积膨胀和电池容量损失密切相关。因此，在设计锂离子电池快速充电系统时，应避免造成负极不可逆。析出金属锂。为了设计能够快速充电并避免电池寿命快速衰减的充电系统，Franz B. Spingler 以 0.5-3.0C 的速率将电池充电至 10-100% SoC，然后以 0.5C 恒流-恒流电压放电。去 0% SoC，然后记录电池的最大不可逆体积膨胀，以指导快充系统的设计。测试结果如下图所示。从图中，我们可以注意到一个趋势，充电倍率越高，端SoC越高，电池的最大不可逆体积膨胀越大，这意味着电池的容量损失越大。

　　为了最大程度地减少不可逆的体积膨胀，Franz B. Spingler 采用分段充电方式，在 0-10% SoC 范围内对 2.4C 充电，然后依次降低。充电系统后，锂离子电池的充电时间最多可减少21%（与1C倍率CC-CV系统相比），有效减少充电时间。

　　优化的充电系统通过减少不可逆的体积膨胀，有效提高了锂离子电池的循环寿命。下图为使用优化充电系统、1C倍率CC-CV和1.4C倍率CC-CV充电系统的电池循环曲线。可以看出，与普通CC-CV曲线相比，优化充电系统后的电池循环性能有明显提升（循环200周，容量损失降低16%），从电池解剖结果来看，优化充电制后电池负极的不可逆锂也明显减少。

　　Franz B. Spingler揭示了负极不可逆体积膨胀与电池不可逆体积膨胀与锂离子电池以不同倍率充电引起的电池容量损失之间的关系，揭示了加速的原因锂离子电池由于快速充电而充电。针对不同充电倍率引起的电池不可逆体积膨胀，研发了优化的充电系统，与1C倍率CC-CV相比，充电时间减少21%，容量损失减少16%（200次循环）充电系统。