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手機電池快充對石墨負極性能的影響及作用機理
時間: 2018-11-11 11:42
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隨著手機電池快充技術的飛速發展，手機的充電速率越來越快，在享受著手機快速充電帶來的好處時，我們心里還存著一個小小的疑問，快速充電對 鋰離子電池 的壽命有影響嗎？首先
隨著手機電池快充技術的飛速發展，手機的充電速率越來越快，在享受著手機快速充電帶來的好處時，我們心里還存著一個小小的疑問，快速充電對鋰離子電池的壽命有影響嗎？首先我們來了解以下何為充電速率，一般來講鋰離子電池以倍率來描述電池的充電速率，例如1C倍率指的是電池在1小時內充滿所有的電量，2C倍率則指的是在0.5h內將電池電量完全充滿，也就是說倍率越大充電速率越快，充電時間為充電倍率的倒數。了解了充電倍率的定義，我們再了解以下，快速充電到底對鋰離子電池的有什么影響。
一般來講，快速充電會導致鋰離子電池內阻增加，容量下降。我們現在就要了解一下這其中的機理。目前商用鋰離子電池主要的負極材料為石墨類材料，石墨材料的使用很大程度上解決了金屬鋰負極枝晶析出的問題，大大提高了鋰離子電池的安全性，使得鋰離子電池的得以商業化應用。目前常見的石墨負極材料包括天然石墨、人造石墨等種類，在鋰離子電池充電的過程中，Li+從正極遷移到負極，并嵌入到石墨材料的層狀結構之中，形成LiC6的化合物，使得負極呈現出金黃色。負極的嵌鋰過程主要包括Li+在電解液和SEI膜中的擴散，負極表面的電荷交換，已經Li在固相中的擴散等過程組成，這些過程將直接對鋰離子電池的充電速率產生影響。在鋰離子電池充電的過程，負極會產生濃差極化和電化學極化，這都會導致負極的電勢要低于其實際的穩態電勢，而且隨著充電速率的增加，極化會進一步加重，這一方面會加劇副反應的發生，另一方面會導致在負極的表面形成金屬鋰鍍層和鋰枝晶，引發鋰離子電池的安全性問題和容量下降。
美國能源部最大研究中心揭示快速充電對石墨負極性能的影響及作用機理
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美國阿貢國家實驗室（美國能源部最大的研究中心）的L. Somerville對充電速率對石墨負極的影響進行了研究。研究顯示，在0.7C到4C倍率范圍內，電池性能的衰降主要與SEI膜的厚度增加有關，而SEI的成分沒有發生明顯的變化。但是在6C的倍率下進行充電，SEI膜的成分發生的顯著的改變，這也導致了鋰離子電池的內阻急劇增加。進一步的研究還發現，在卷繞型電池中，電芯中間部分的SEI膜更厚和并且成分也與其他部分的SEI膜不同，這可能是因為在生產過程中電池浸潤不均勻造成的局部溫度升高造成的，這種SEI膜厚度和成分上的不均勻，會造成電池在6C充電倍率下，粘結劑發生化學變性，造成活性物質從集流體上脫落。
實驗中L. Somerville采用了商業的NMC/石墨18650電池，以盡可能還原商用鋰離子電池中石墨負極的工作狀態。充電速率被設定為0.7，2，4，6C，放電速率為C/3，電池溫度控制在25℃。
通過拆解循環后的電池，隨著充電速率的增加，負極的顏色也發生了改變，在0.7C和2C的充電倍率下，電極呈現了均一的顏色，而到充電倍率提高到4C，電極的中間位置呈現出了灰色，而在6C的倍率下，不但中間部分的電極呈現除灰色，中間部分的活性物質還出現了脫落的現象。SEM掃描發現，在0.7C和2C的倍率下，電極表面呈現除原始的狀態，但是在4C的倍率下，電極表面開始出現一些亮點，6C的倍率下，電極的表面狀態則明顯不同了，由于SEI膜厚度的增加，已經難以分辨單獨的石墨顆粒了。
美國能源部最大研究中心揭示快速充電對石墨負極性能的影響及作用機理
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該項研究顯示，快速充電對鋰離子電池的影響有兩個方面：1）不同充電倍率的影響不同，2）對電極中間和兩段的影響不同。在相同的充電倍率下，電極中間部分的SEI膜要比兩段的更厚，這可能是由于電極中間部分浸潤不充分造成阻抗增加，充電過程中溫度上升引起的，這還會造成中間部分電極的粘結劑發生化學變化，導致活性物質脫落。充電倍率對電極的SEI膜也有很大的影響，隨著充電倍率的增加，SEI膜的厚度增加，在6C的倍率下，電極SEI膜中包含更多的高分子量化合物和低聚支鏈化合物。
該項研究揭示了充電倍率對鋰離子電池性能的影響的作用機理，并詳細介紹了在大電流充電的過程中，石墨負極表面SEI膜的厚度和成分改變，并在研究中發現了電極浸潤不充分造成的在大電流充電時，電極中間部分溫度更高，活性物質SEI膜更厚，粘結劑更容易發生化學變化，導致活性物質更容易從電極表面脫落。
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