恒流充電與脈沖充電的比較

脈沖充電方法，是以一段時間的充電之后，出現(xiàn)短暫的反向充電電流。其基本形式如下圖所示。充電過程中夾雜短暫的放電脈沖，起到去極化的作用，降低極化電阻在充電過程中造成的影響。

有研究專門對比了脈沖充電與恒流充電的效果差異性。取平均電流為1C，2C，3 C 和4C(C 為電池額定容量數(shù)值) ， 分別做了4 組對比實驗，通過電池充完后放出的電量來衡量實際充入的電量下。圖為充電電流為2C 時脈沖充電的電流及電池端電壓波形。表1 為恒流脈沖充電實驗數(shù)據(jù)。脈沖周期為1s，正脈沖時間為0.9s， 負脈沖時間為0.1s。

Ichav 為充電平均電流，Qin為充入電量;Qo為放出電量，η為效率。

從上表中的實驗結(jié)果可以看到，恒流充電與脈沖充電效率近似，脈沖略低于恒流，但充入電池的總電量，脈沖方式明顯多于恒流方式。

不同脈沖占空比對脈沖充電的影響

脈沖充電中的負電流放電時間對充電快慢有，一定影響， 放電時間越長， 充電越慢; 保持相同平均電流充電時， 放電時間越長。從下表可以看出，不同占空比對效率和充入電量有明確的影響趨勢，但數(shù)值差異不是很大。與此相關(guān)的，還有兩個重要參數(shù)，充電時間和溫度沒有顯示。

因此，選擇脈沖充電優(yōu)于持續(xù)恒流充電，具體選擇占空比，則需要重點考慮電池溫升和充電時間訴求。

每一種鋰電池在不同狀態(tài)參數(shù)和環(huán)境參數(shù)下都存在一個最優(yōu)充電電流值，那么，從電池結(jié)構(gòu)上看，影響這個最優(yōu)充電值的因素都有哪些。

充電的微觀過程

鋰電池被稱為“搖椅型”電池，帶電離子在正負極之間運動，實現(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)外部電路向負極運動;鋰離子在電解液中從正極向負極運動，穿過隔膜到達負極;經(jīng)過負極表面的SEI膜嵌入到負極石墨層狀結(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、負極、電解液、隔膜和結(jié)構(gòu)設(shè)計等。

正極

實際上，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?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。進行碳包覆，適度納米化(注意，是適度，絕對不是越細越好的簡單邏輯)，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。

負極

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

A、目前市場上占有統(tǒng)治地位的負極材料仍然是石墨(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，缺點相對較少。石墨負極當然也有問題，其表面對于電解液較為敏感，鋰的嵌入反應(yīng)帶有強的方向性，因此進行石墨表面處理，提高其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，促進鋰離子在基上的擴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)點是功率密度高，較安全，缺點也明顯，能量密度很低，按Wh計算成本很高。因此作者對于鈦酸鋰電池的觀點一直是：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，陶瓷涂層隔膜因為其高安全、可以消耗電解液中雜質(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。涂層以后的隔膜，穩(wěn)定性好，即使溫度比較高，也不容易收縮變形導(dǎo)致短路，清華大學(xué)材料學(xué)院南策文院士課題組技術(shù)支持的江蘇清陶能源公司在此方面就有一些代表性的工作，隔膜如下圖所示。

涂布固態(tài)電解質(zhì)纖維的隔膜

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)對正負極材料是惰性的，不能反應(yīng)或溶解。如果要達到這幾個要求，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，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

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于是并聯(lián)關(guān)系，卷繞式則相當于是串聯(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。

主流廠家快充技術(shù)路線概覽

CATL

對于正極，寧德時代開發(fā)了“超電子網(wǎng)”技術(shù)，使得磷酸鐵鋰具有優(yōu)異的電子導(dǎo)電性能;在負極石墨表面，采用了“快離子環(huán)”技術(shù)修飾，修飾后的石墨兼顧超級快充和高能量密度的特性，快充時負極不再出現(xiàn)過量副產(chǎn)物，使其具備4-5C快充能力，實現(xiàn)10-15分鐘快充充電，并能保證系統(tǒng)級別70wh/kg以上的能量密度，實現(xiàn)10000次的循環(huán)壽命(話說這個壽命蠻高的)。熱管理方面，其熱管理系統(tǒng)，充分識別固定化學(xué)體系在不同溫度和SOC下的“健康充電區(qū)間”，極大拓寬鋰電池的運營溫度。

沃特瑪

沃特瑪最近不太好，咱們只論技術(shù)。沃特瑪使用的粒徑更小的磷酸鐵鋰，目前市場上普遍的磷酸鐵鋰粒徑在300~600nm之間，而沃特瑪只用100~300nm的磷酸鐵鋰，這樣鋰離子將擁有更快的遷移速度，能夠更大倍率的電流進行充放電。在電池以外的系統(tǒng)上，加強以熱管理系統(tǒng)和系統(tǒng)安全設(shè)計。

微宏動力

早期，微宏動力選擇了能承受快充大電流、具有尖晶石結(jié)構(gòu)的鈦酸鋰+多孔復(fù)合碳做負極材料;為了避免快充時高功率電流對電池安全性造成的威脅，微宏動力結(jié)合不燃燒電解液、高孔隙率高透氣性隔膜技術(shù)以及STL智能熱控流體技術(shù)，在實現(xiàn)電池快充時保障電池的安全性。

2017年，其發(fā)布了新一代高能量密度電池，采用高容量高功率錳酸鋰正極材料，單體能量密度達到170wh/kg，實現(xiàn)15分鐘快充，目標定位于兼顧壽命和安全問題。

珠海銀隆

鈦酸鋰負極，寬工作溫度范圍和大充放電倍率著稱，具體技術(shù)方案，沒有明確資料顯示。展會上與工作人員交談，據(jù)稱其快充已經(jīng)可以實現(xiàn)10C，壽命20000次。

快充技術(shù)的未來

電動汽車快充技術(shù)，是歷史的方向還是曇花一現(xiàn)過眼云煙，其實現(xiàn)在眾說紛紜，并沒有定論。作為解決里程焦慮的一個備選方案，它與電池能量密度和整體用車成本放在一個平臺去考量。

能量密度與快充性能，在同一只電池中，可以說是不相容的兩個方向，不可兼得。電池能量密度的追求，目前看是主流。當能量密度足夠高，一臺車裝載電量足夠大，足以避免所謂“里程焦慮”，電池倍率充電性能的需求就會降低;同時，電量大了，如果電池度電成本不夠低，那么是否要可丁可卯的購買足以“不焦慮”的電量，就需要消費者做出選擇，這么一想，快充就有存在的價值。另外一個角度，就是昨天提到的快充配套設(shè)施成本，這當然是整個社會推電動化的成本的一部分。

一句站著不腰疼的話總結(jié)陳詞，快充技術(shù)是否能夠得到大面積推廣，能量密度和快充技術(shù)誰發(fā)展的快，兩個技術(shù)誰降成本降得狠，可能對其未來前途起到相當?shù)臎Q定性作用。