如何设计快速充电的动力电池电芯？
如何设计快速充电的动力电池电芯？
在新能源汽车快速发展的今天，快速充电技术已成为消费者和厂商关注的焦点。从高端轿车到电动SUV，越来越多的车型开始采用快充电池。然而，快充电池在设计、热管理、寿命等方面仍面临不少挑战。本文将从多个方面探讨如何在设计生产阶段实现动力电池的快速充电性能，同时规避其快速充放电带来的隐患。
在如今新能源汽车的快速发展浪潮中，快速充电技术成为了消费者和厂商热议的焦点。从高端新能源轿车到电动SUV，越来越多的车型已经开始全面采用快充电池，以满足日益增长的用户需求。快充电池以其高功率输出和短时间充电优势，在日常出行、长途旅行等多种场景下，展示了极大的便利性。尤其是在高速公路充电站或公共充电网络中，能够大幅度缩短充电等待时间，提升用户的用车体验。
然而，尽管快充电池具有如此显著的优势，但在电池设计、热管理、寿命等方面仍存在不少疑问与挑战。业内普遍关注的一个难点是如何在确保充电速度的同时，保证电池的安全性与长久使用寿命。
那么如何在设计生产阶段来实现动力电池的快速充电性能，同时规避其快速充放电带来的隐患？
常规锂离子电池以高倍率快速充电时会出现快速的寿命衰减，造成寿命衰减的主要原因有两个：一是极化过大导致的负极表面析锂；而是快速充电导致的电池内部温升过大以及温升不均匀。因此，为满足快速充电的应用要求，需要专门设计快充型电芯。
设计快充电芯的主要工作
影响锂离子电池快充性能的因素包括极片涂层厚度、孔隙率、迂曲度（即传输通道的实际长度与两个位置间直线长度的比值）、电解液离子电导率，以及活性物质粒径、锂离子在活性颗粒中的固相扩散系数等。因此，改善电池的快充性能需要从以下几个方面开展工作：
1）选择合适的负极材料。常规锂离子电池采用石墨为负极活性物质，由于石墨的嵌锂电位接近于金属锂的沉积电动势，因此快充产生的较大极化会导致锂在负极表面的析出，从而给电池带来短路风险。为降低负极极化，一方面需要减小石墨粒度、增大其比表面积（BET），以此降低界面反应阻抗和固相扩散阻抗；二是优化石墨的晶格取向，提高锂离子在其中的固相扩散速率；三是在石墨表面包覆无定形碳层，改善石墨与电解液的接触界面。此外，采用钛酸锂（LTO）为负极也是一种选择，虽然这种材料的容量较低，但其较高的嵌锂电位可以有效避免析锂的风险。
2）优化电解液的组成。低黏度、高离子电导率和高锂离子迁移数的电解液可以有效降低液相欧姆极化和锂离子的液相传质极化，而合适的添加剂有利于改善 SEI 膜的性能，降低锂离子通过 SEI 膜的传质阻抗。
3）合理设计电极。降低负极极片的厚度、压实密度，可以缩短锂离子的液相传输距离、提高锂离子的液相传质能力，从而降低多孔电极内部的液相欧姆极化。
快充电芯结构件设计
锂离子电池的结构对其快充性能具有显著影响。极耳的位置、大小、焊接方式，以及极柱等结构件的接触面积都会影响电池内部的电流分布和温度分布。不均匀的电流分布容易引起局部极化过大和析锂，从而影响电池快充性能。采用多极耳设计、单极耳组合设计，以及优化极柱、连接件以及焊印的过流面积等措施，可以提升电芯的大倍率快充性能。
极片设计
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梯度孔隙结构设计
负极极片孔隙率是影响电池充电能力的主要因素之一。极片孔隙率越大，电解液在电极中的体积占比越高，离子传输路径越丰富，电极液相欧姆极化越小。但提高孔隙率无疑会降低电极的压实密度，从而降低电池能量密度。为了在提升快充能力的同时降低对能量密度的影响，理想的电极极片应当在厚度方向具有图1 所示的梯度孔隙分布：靠近集流体的涂层孔隙率低，远离集流体的涂层孔隙率高，即上部涂层具有低压实密度、高孔率，下层涂层具有高压实密度、低孔率。这种结构设计可以有效降低液相传输通道的迂曲度和液相传输引起的欧姆内阻。如图2所示，梯度孔率可以表征锂离子在极片内部的液相传输距离，均化厚度方向每一微区欧姆极化（即固相欧姆极化和液相欧姆极化之和），从而在提高材料利用率的同时，降低电极表面的液相欧姆极化，避免锂的沉积。此外，梯度孔率设计还可以降低极片厚度方向的浓差极化（图 3），极大地提升电池的快充能力。
孔隙梯度电极结构及其厚度方向孔隙率分布
梯度孔率电极中锂离子的传输
梯度孔率电极的快充性能及在其高倍率充电条件下厚度方向的浓差分布
梯度孔率分布除了可以通过调整上下层石墨颗粒的大小来实现外，还可以利用浆料的配方差异来实现。如图4所示，上部涂层采用低压实密度黏结剂，以降低负极颗粒之间的接触面积，从而提升上层的孔隙率；而下部涂层采用高压实密度黏结剂，以增强负极颗粒之间的结合力，从而减小下层的孔隙率。
利用黏结剂实现极片厚度方向孔率梯度分布
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低迂曲度设计
迂曲度是反映极片内部液相传输能力的一个关键参数，也是快充负极设计时需要重点优化的指标。一般来说，低迂曲度有利于缩短锂离子的液相传输距离，提升电极快充能力，如图 5 所示。此外，快离子环也是提升负极快充性能的一种有效手段。其基本原理是通过改变负极材料表面特性来降低负极 / 电解液的界面阻抗，同时改善负极材料的固相传输性能。当然，快充材料的设计还要从能量密度、成本和量产工艺可行性等方面进行多维度研判。
快充负极迂曲度优化设计
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涂层配方设计
为提升电芯的快充性能，电极配方需要以提升动力学过程以及高倍率长寿命性能为目标开展优化设计。正极配方中，通常需要提高导电剂在整个配方中的占比，来降低电芯在高倍率应用场景下的欧姆极化。其中，导电剂以导电炭黑、CNT 以及石墨烯为主，用量比例高出常规体系数倍，以提高阴极的电子导电能力，实现极片膜片电阻的大幅降低。黏结剂以 PVDF 为主，其用量比例略高于常规体系，以改善颗粒间以及涂层与集流体之间的黏结效果。由于 PVDF 极性较强，对活性主材无表面包覆作用，因此对锂离子传输及其去溶剂化过程基本无影响。与之相反，一些非氟黏结剂由于可在活性材料颗粒表面成膜，容易导致极片膜片电阻异常升高以及电池功率显著下降等一系列问题。但值得一提的是，这类包覆型黏结剂能改善电芯高倍率循环过程中的容量衰减以及长周期循环过程中的 DCR 增长。此外，配方体系内，往往需要引入一些非极性分散剂，以保证碳材料的充分分散，并避免电芯前工序生产中存在的风险问题，如浆料凝胶、浆料流平性差、涂层开裂以及碳分散不均等。
材料设计
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正负极活性材料设计
快充引起的温升过高将导致副反应加剧，电芯寿命缩短，甚至带来安全性问题。提升正极材料的电子和离子导电性、降低其反应阻抗可以有效减小电池的产热。对于三元正极材料来说，提升钴含量、降低材料粒径、改善界面包覆层等措施均可以降低正极的初始直流阻抗。此外，电芯在快速充电的过程中，需要考虑负极材料对锂离子的快速接收能力。当充电速度过高时，负极表面有可能出现析锂，从而带来安全隐患。因此，快充负极材料的设计主要是提升其对锂离子的接收能力。除采用快充型石墨外，改善负极极片的液相传输及其界面阻抗也是提升负极快充性能的关键。
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隔离膜设计
在锂离子电池的充电过程中，锂离子的传输过程主要涉及：Li+ 从正极晶格中脱出，在电解液中溶剂化，通过液相扩散 / 电迁移等途径通过隔膜到达对向电极，在负极表面去溶剂化，嵌入石墨层间并在其中扩散。提高快充性能需要加强上述传输过程，其中隔膜的孔隙率和厚度对锂离子的传质过程具有重要影响。隔膜孔隙率越小，锂离子通过隔膜的传质过程越慢；厚度越大，锂离子的传质距离越长，通过隔膜的传质速度越慢。所以，快充电芯需要采用薄且高孔隙率的隔膜。而这与电池安全性是相矛盾的，因此除厚度和孔隙率外，隔膜的浸润性、耐蚀能力，以及孔径、穿刺强度和热稳定性等指标在设计快充电芯时也需要重点加以考虑。
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电解液设计
理想的快充电解液不仅需要具有高的离子电导率和高的锂离子迁移数，而且能够有效抑制界面副反应、降低电极界面阻抗。通过引入低黏度溶剂，降低离子传输阻力，可以显著改善电芯的充电能力。然而，低黏度的溶剂分子因其分子量较小，往往具有更高的扩散和渗透能力，容易穿过 SEI 膜在石墨负极表面发生还原分解和穿过 CEI 膜在正极发生氧化分解，从而增加电芯产气及寿命恶化的风险。有鉴于此，快充电解液通常需要搭配合适的正负极界面成膜剂。通过调控 SEI 组分与结构，可提升电芯的充电能力，但大量成膜剂的使用会造成电极表面膜厚度过大，反而造成电芯充电能力的下降，尤其是在低温下。因此电解液中成膜添加剂的含量需要根据实际情况进行优化。有文献报道 ，非牺牲全氟阴离子添加剂（LiNFBS）可以改善 SEI 膜的界面化学和结构，其原理为长全氟阴离子的 LiNFBS 可以吸附在石墨电极表面并排斥界面处的溶剂和其他添加剂分子，减少添加剂和溶剂的还原分解，使得 SEI 膜变得更薄、更均匀，从而降低电极界面阻抗，改善电芯的动力学和低温性能。
——以上主要内容摘自《车用动力电池系统设计与制造》，机械工业出版社出版，中国汽车工程学会组编，宁德时代首席科学家吴凯等编著