线上直播 | 锂离子电池极速快充(XFC)开发的难点及对策

2022.12.6日下午14:00-15:00，电化学线上课堂：锂离子电池极速快充(XFC)开发的难点及对策开播！欢迎大家的观看！

本场直播有特定的回答问题环节哦，快点想想有什么需要在线和我们嘉宾在线讨论的吧！

2022.12.6日下午14:00-15:00，电化学线上课堂：锂离子电池极速快充(XFC)开发的难点及对策开播！欢迎大家的观看！

近来，尽管动力电池快充技术在快速发展，但充电时间，效率和寿命焦虑依然是全 球范围内使用电动车的主要焦虑。锂离子电池以高能量密度和长寿命成为电动车的主要能源。当前，有几种方式来控制快充条件下的电池健康状态。本文提出了充电协议的清晰分类，将快充协议分为功率管理协议，依赖于对电流，电压和电池温度控制的热管理协议，以及依赖于锂离子电池材料物理修饰和化学结构的材料层面的充电协议。并分析了每种快充协议的要求，优势和劣势。

Fig 1 电动汽车(EV)研究路线图

锂离子电池不同层级对快充的影响

材料-电极-电池层级对快充的影响

锂离子电池快充协议

快充协议的目的是降低充电时间，优化效率和循环寿命，降低充电损失。消除大倍率充电和深度放电所导致的活性物质损失，电极表面的SEI膜重整，内部温度变化和减小容量损失。

Fig 2 锂离子电池主要快充充电协议类型

Fig 3主要快充协议的优势及劣势

 恒电流恒电位充电协议

CC-CV 作为传统的充电协议，其示意图如Fig 4 所示，即恒电流充到指定电位后，在截止电压下持续恒压充电至电流降低为0.1C 或0.01 C。CC-CV的主要问题是充电时间较长，且CV恒压过程会导致电池内部发生化学反应。

Fig 4 恒电流-恒电位充电(CC-CV)示意图

多步恒电流(MCC) 充电协议种类

Fig 5 多步恒电流(MCC) 充电协议种类

(a) 充电电流多步变换

(b) 混合技术(HT) 

(c) 条件随机变化技术 (CRT)

(d) 多步恒电流超快充技术 (ML MCC-CV)

MCC充电协议是通过多步的变换的恒电流进行充电，作为目前最 具潜力的超快充技术，有利于缩短充电时间，同时降低电池的衰减和能量损失，并提高效率，降低产生的热，避免析锂和过充等，但是，MCC充电协议需要对电池内部的电路进行全面准确评估后才能有效进行开发。因此，MCC的开发需要直流和交流阻抗技术组合使用。

热管理协议

Fig 6 热管理协议

恒温-恒压充电协议示意图

热管理充电协议依赖于对环境温度和电池温度的控制，温度作为影响电池老化非常重要的因素, 一种新的快充协议基于恒温很恒压(CT-CV) 如Fig 所示。CTCV基于施加2C电流，然后电流指数衰减至1C ,当电压到达4.2V时，电流开始衰减至0.1C。为了维持温度恒定，采用PID进行温度控制。

脉冲电流充电协议(PCC)

Fig 7 脉冲充电电流示意图

Fig 8 脉冲电流充电协议

(a) 标准协议-固定占空比

(b) 标准协议-变化占空比

(c) 标准协议-衰减电流

(d) 标准协议高-低电流变化

(e) 不同的电压脉冲

PCC 协议依赖于控制负载的循环，频率和充电脉冲的幅值等，PCC有利于缩短充电时间，低温条件下加热电池，抑 制锂析出，增加功率转换，有利于消除浓差极化。缺点是控制器要求极其复杂，难度很高。

结论

经过以上分析，功率控制协议，由于充电时间短，发热量低，效率高，避免锂析出等优势，成为目前锂离子电池快充最 具潜力的方法之一，由于其波形的复杂性，对于温度的监测，析锂的有效评价等以及锂离子电池内部等效电路的全面分析，对于所使用的开发设备提出巨大挑战。多步电流法及脉冲电流快充协议，测试设备需要具备以下能力。

参考文献

1. A Review of Various Fast Charging Power and Thermal Protocols for Electric Vehicles Represented by Lithium-Ion Battery Systems,

Future Transp. 2022, 2, 281–299.https://doi.org/10.3390/

futuretransp2010015

2. Detection of Lithium Plating in Li-Ion Cell Anodes Using Realistic Automotive Fast-Charge Profiles, Batteries 2021, 7, 46

3. Fast Charging of Lithium-Ion Batteries: A Review of Materials Aspects, Adv. Energy Mater.2021, 11, 2101126, DOI: 10.1002/aenm.202101126

阿美特克集团携手旗下8大 品 牌，7位锂电行业专家，在阳春3月为大家带来锂离子电池专场线上直播，针对锂电行业痛点，提出解决方案。

主题：《锂离子电池开发挑战及应对策略》

第 一场：3月22日 - 锂离子电池关键材料成份、物理及电化学性能测试(14:00-16:00)

第二场：3月29日- 锂离子电池电芯包装阻隔性检测/电池包连接件/电池装配的质量控制(14:00-15:30)　

直播福利：随机抽取 20 名幸运观众，送《锂电池基础科学》或者《钠离子电池科学与技术》

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以锂离子电池作为动力的电动车的充电时间，极大的限制了电动车的发展。因此，寄希望于极速快充（XFC）能够在10-15分钟内实现充电0-80% SOC。由于离子传输的限制和析锂的风险，这对目前采用石墨（Gr）基负极和过渡金属氧化物正极的锂离子电池（LIBs）提出了巨大的挑战。通常认为，充电过程涉及正负极材料或电解质中的离子传输，和固液界面的电荷传输。同时大量的文献认为，离子在充满电解质的电极孔隙或电极颗粒内部的扩散是快速充电过程中的限速步骤，特别是在较高负载（>3 mAh cm-2）的高比能量锂离子电池。但难以直接观测界面结构和离子传输机制，因此很难监测跨越电极-电解质界面的电荷转移。

基于以上问题，清华大学张强教授团队，采用纽扣电池三电极体系，利用输力强1470E/1455辅助分压，进行了动态EIS及同步正负极阻抗监测，结果表明，快速的电荷转移速率对于实现不同尺寸材料的高比能量非常重要，这使得对之前传质过程是快充主要速率限制的假设产生了新的认识。

Fig 1 . 纽扣电池中的三电极示意图

A) 锂参比电极是通过在铜线尖 端附加一小片锂箔制成的

B) 纽扣三电极由工作电极，Li参比电极，两层隔膜，

锂片做对电极构成三明治结构

Fig 2 动态EIS用于研究电极界面动力学

A)   动态交流阻抗(DEIS)的电压和电流曲线

B)   由DEIS获得的典型Nyquist曲线，

石墨负极对参比和NCA正极对参比，

等效电路分别进行拟合

Fig3 NAC正极在充电过程中不同SoC下的NCA曲线。

直流电流为0.3C，GEIS电流扰动为0.03C

然而，除了以前专注于单电极的研究，围绕着界面电荷转移是否决定了锂离子全电池的快速充电能力，如果是限制步骤，那是如何限制的，仍然然存在很大争议。因此，三电极动态EIS提供了一种有效的思路。

Fig 4  石墨负极在充电过程中不同SoC下，

动态GEIS测试 DC电流0.25 C ，交流振幅为0.025 C.

结论

使用动态交流阻抗(DEIS)对三电极中正负极电荷转移动力学进行了量化，不同于传统稳态EIS, DEIS结合三电极可以独立提取电池中正极或者负极的反应动力学。此外，在不同的电解质条件下，EC/DMC LiPF6(20.6 Ohm)与 EC/DMC LiTFSI （9.3Ohm）相比，NCA在不同的SoC下Rct减半。通过改进的电解质，FEC/DMC LiPF6，加速了锂离子的去溶剂化，在快充条件下表现出更小的极化。

参考文献

1.  Unlocking Charge Transfer Limitations for Extreme Fast Charging of Li-Ion Batteries,
Angewandte Chemie International Edition 

( IF 16.823 ) Pub Date : 2022-11-16 , DOI: 10.1002/anie.202214828, Yu-Xing Yao, Xiang Chen, Nan Yao, Jin-Hui Gao, Gang Xu, Jun-Fan Ding, Chun-Liang Song, Wen-Long Cai, Chong Yan, Qiang Zhang

以锂离子电池作为动力的电动车的充电时间，极大的限制了电动车的发展。因此，寄希望于极速快充（XFC）能够在10-15分钟内实现充电0-80% SOC。由于离子传输的限制和析锂的风险，这对目前采用石墨（Gr）基负极和过渡金属氧化物正极的锂离子电池（LIBs）提出了巨大的挑战。通常认为，充电过程涉及正负极材料或电解质中的离子传输，和固液界面的电荷传输。同时大量的文献认为，离子在充满电解质的电极孔隙或电极颗粒内部的扩散是快速充电过程中的限速步骤，特别是在较高负载（>3 mAh cm-2）的高比能量锂离子电池。但难以直接观测界面结构和离子传输机制，因此很难监测跨越电极-电解质界面的电荷转移。

基于以上问题，清华大学张强教授团队，采用纽扣电池三电极体系，利用输力强1470E/1455辅助分压，进行了动态EIS及同步正负极阻抗监测，结果表明，快速的电荷转移速率对于实现不同尺寸材料的高比能量非常重要，这使得对之前传质过程是快充主要速率限制的假设产生了新的认识。

Fig 1 . 纽扣电池中的三电极示意图

A) 锂参比电极是通过在铜线尖 端附加一小片锂箔制成的

B) 纽扣三电极由工作电极，Li参比电极，两层隔膜，

锂片做对电极构成三明治结构

 Fig 2 动态EIS用于研究电极界面动力学

A)   动态交流阻抗(DEIS)的电压和电流曲线

B)   由DEIS获得的典型Nyquist曲线，

石墨负极对参比和NCA正极对参比，

等效电路分别进行拟合

Fig3 NAC正极在充电过程中不同SoC下的NCA曲线。

直流电流为0.3C，GEIS电流扰动为0.03C

然而，除了以前专注于单电极的研究，围绕着界面电荷转移是否决定了锂离子全电池的快速充电能力，如果是限制步骤，那是如何限制的，仍然然存在很大争议。因此，三电极动态EIS提供了一种有效的思路。

Fig 4  石墨负极在充电过程中不同SoC下，

动态GEIS测试 DC电流0.25 C ，交流振幅为0.025 C.

结论

使用动态交流阻抗(DEIS)对三电极中正负极电荷转移动力学进行了量化，不同于传统稳态EIS, DEIS结合三电极可以独立提取电池中正极或者负极的反应动力学。此外，在不同的电解质条件下，EC/DMC LiPF6(20.6 Ohm)与 EC/DMC LiTFSI （9.3Ohm）相比，NCA在不同的SoC下Rct减半。通过改进的电解质，FEC/DMC LiPF6，加速了锂离子的去溶剂化，在快充条件下表现出更小的极化。

参考文献

1.  Unlocking Charge Transfer Limitations for Extreme Fast Charging of Li-Ion Batteries,
Angewandte Chemie International Edition 

( IF 16.823 ) Pub Date : 2022-11-16 , DOI: 10.1002/anie.202214828, Yu-Xing Yao, Xiang Chen, Nan Yao, Jin-Hui Gao, Gang Xu, Jun-Fan Ding, Chun-Liang Song, Wen-Long Cai, Chong Yan, Qiang Zhang

直播时间：12月18日  上午9:30

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