充電的微觀過程

　　鋰電池被稱為“搖椅型”電池，帶電離子在正負(fù)極之間運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)電荷轉(zhuǎn)移，給外部電路供電或者從外部電源充電。具體的充電過程中，外電壓加載在電池的兩極，鋰離子從正極材料中脫嵌，進(jìn)入電解液中，同時產(chǎn)生多余電子通過正極集流體，經(jīng)外部電路向負(fù)極運(yùn)動;鋰離子在電解液中從正極向負(fù)極運(yùn)動，穿過隔膜到達(dá)負(fù)極;經(jīng)過負(fù)極表面的SEI膜嵌入到負(fù)極石墨層狀結(jié)構(gòu)中，并與電子結(jié)合。

　　在整個離子和電子的運(yùn)行過程中，對電荷轉(zhuǎn)移產(chǎn)生影響的電池結(jié)構(gòu)，無論電化學(xué)的還是物理的，都將對快速充電性能產(chǎn)生影響。

　　快充，對電池各部分的要求

　　對于電池來說，如果要提升功率性能，需要在電池整體的各個環(huán)節(jié)中都下功夫，主要包括正極、負(fù)極、電解液、隔膜和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。

　　正極

　　實(shí)際上，各種正極材料幾乎都可以用來制造快充型電池，主要需要保證的性能包括電導(dǎo)(減少內(nèi)阻)、擴(kuò)散(保證反應(yīng)動力學(xué))、壽命(不需要解釋)、安全(不需要解釋)、適當(dāng)?shù)募庸ば阅?比表面積不可太大，減少副反應(yīng)，為安全服務(wù))。當(dāng)然，對于每種具體材料要解決的問題可能有所差異，但是我們一般常見的正極材料都可以通過一系列的優(yōu)化來滿足這些要求，但是不同材料也有所區(qū)別：

　　A、磷酸鐵鋰可能更側(cè)重于解決電導(dǎo)、低溫方面的問題。進(jìn)行碳包覆，適度納米化(注意，是適度，絕對不是越細(xì)越好的簡單邏輯)，在顆粒表面處理形成離子導(dǎo)體都是最為典型的策略。

　　B、三元材料本身電導(dǎo)已經(jīng)比較好，但是其反應(yīng)活性太高，因此三元材料少有進(jìn)行納米化的工作(納米化可不是什么萬金油式的材料性能提升的解藥，尤其是在電池領(lǐng)域中有時還有好多反作用)，更多在注重安全性和抑制(與電解液的)副反應(yīng)，畢竟目前三元材料的一大命門就在于安全，近來的電池安全事故頻發(fā)也對此方面提出了更高的要求。

　　C、錳酸鋰是則對于壽命更為看重，目前市面上也有不少錳酸鋰系的快充電池。

　　負(fù)極

　　鋰離子電池充電的時候，鋰向負(fù)極遷移。而快充大電流帶來的過高電位會導(dǎo)致負(fù)極電位更負(fù)，此時負(fù)極迅速接納鋰的壓力會變大，生成鋰枝晶的傾向會變大，因此快充時負(fù)極不僅要滿足鋰擴(kuò)散的動力學(xué)要求，更要解決鋰枝晶生成傾向加劇帶來的安全性問題，所以快充電芯實(shí)際上主要的技術(shù)難點(diǎn)為鋰離子在負(fù)極的嵌入。

　　A、目前市場上占有統(tǒng)治地位的負(fù)極材料仍然是石墨(占市場份額的90%左右)，根本原因無他——便宜(你們天天嫌電池貴，嘆號!)，以及石墨綜合的加工性能、能量密度方面都比較優(yōu)秀，缺點(diǎn)相對較少。石墨負(fù)極當(dāng)然也有問題，其表面對于電解液較為敏感，鋰的嵌入反應(yīng)帶有強(qiáng)的方向性，因此進(jìn)行石墨表面處理，提高其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，促進(jìn)鋰離子在基上的擴(kuò)散是主要需要努力的方向。

　　B、硬碳和軟碳類材料近年來也有不少的發(fā)展：硬碳材料嵌鋰電位高，材料中有微孔因此反應(yīng)動力學(xué)性能良好;而軟碳材料與電解液相容性好，MCMB材料也很有代表性，只是硬軟碳材料普遍效率偏低，成本較高(而且想像石墨一樣便宜恐怕從工業(yè)角度上看希望不大)，因此目前用量遠(yuǎn)不及石墨，更多用在一些特種電池上。

　　C、有人會問筆者鈦酸鋰如何。簡單說一下：鈦酸鋰的優(yōu)點(diǎn)是功率密度高，較安全，缺點(diǎn)也明顯，能量密度很低，按Wh計(jì)算成本很高。因此作者對于鈦酸鋰電池的觀點(diǎn)一直是：是一種有用的在特定場合下有優(yōu)勢的技術(shù)，但是對于很多對成本、續(xù)航里程要求較高的場合并不太適用。

　　D、硅負(fù)極材料是重要的發(fā)展方向，松下的新型18650電池已經(jīng)開始了對此類材料的商用進(jìn)程。但是如何在納米化追求性能與電池工業(yè)對于材料的一般微米級的要求方面達(dá)到一個平衡，仍是比較有挑戰(zhàn)性的工作。

　　隔膜

　　對于功率型電池，大電流工作對其安全、壽命上提供了更高的要求。隔膜涂層技術(shù)是繞不開的，陶瓷涂層隔膜因?yàn)槠涓甙踩⒖梢韵碾娊庖褐须s質(zhì)等特性正在迅速推開，尤其對于三元電池安全性的提升效果格外顯著。陶瓷隔膜目前主要使用的體系是把氧化鋁顆粒涂布在傳統(tǒng)隔膜表面，比較新穎的做法是將固態(tài)電解質(zhì)纖維涂在隔膜上，這樣的隔膜的內(nèi)阻更低，纖維對于隔膜的力學(xué)支撐效果更優(yōu)，而且在服役過程中其堵塞隔膜孔的傾向更低。

　　電解液

　　電解液對于快充鋰離子電池的性能影響很大。要保證電池在快充大電流下的穩(wěn)定和安全性，此時電解液要滿足以下幾個特性：A)不能分解，B)導(dǎo)電率要高，C)對正負(fù)極材料是惰性的，不能反應(yīng)或溶解。如果要達(dá)到這幾個要求，關(guān)鍵要用到添加劑和功能電解質(zhì)。比如三元快充電池的安全受其影響很大，必須向其中加入各種抗高溫類、阻燃類、防過充電類的添加劑保護(hù)，才能一定程度上提高其安全性。而鈦酸鋰電池的老大難問題，高溫脹氣，也得靠高溫功能型電解液改善。

　　電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　典型的一個優(yōu)化策略就是疊層式VS卷繞式，疊層式電池的電極之間相當(dāng)于是并聯(lián)關(guān)系，卷繞式則相當(dāng)于是串聯(lián)，因此前者內(nèi)阻要小的多，更適合用于功率型場合。另外也可以在極耳數(shù)目上下功夫，解決內(nèi)阻和散熱問題。此外使用高電導(dǎo)的電極材料、使用更多的導(dǎo)電劑、涂布更薄的電極也都是可以考慮的策略。

　　總之，影響電池內(nèi)部電荷移動和嵌入電極孔穴速率的因素，都會影響鋰電池快速充電能力。