高鎳/硅碳電池如何實現(xiàn)安全的快充技術(shù)

（文章來源：新能源Leader）

隨著動力電池能量密度的持續(xù)提高，電動汽車的續(xù)航里程也得到了顯著的提升，里程焦慮已經(jīng)得到了很大程度的緩解，但是充電時間過長仍然影響了電動汽車的使用體驗。

隨著動力電池能量密度的提升，高鎳正極材料和硅碳負(fù)極材料的使用正在變得普遍，高鎳材料較差的熱穩(wěn)定性也對動力電池的安全性帶來了嚴(yán)峻的考驗。近年來，不少電動汽車都提供了高功率快充功能，雖然能夠縮短充電時間，但是過大的充電電流也容易引起電池溫度快速攀升，極易引起高能量密度鋰離子電池發(fā)生熱失控。近日，廈門大學(xué)的Hang Li（第一作者）和Jun Cheng（通訊作者）等人研究了快速充電過程N(yùn)CM811/硅碳體系鋰離子電池溫度變化，并采用模型方法分析了環(huán)境溫度與最大安全充電電流之間的關(guān)系，以及電池的長/寬比對于電池最大安全充電電流的影響。

當(dāng)電池的溫度高于59.5℃時電池開始自發(fā)熱，表明電池在溫度高于59.5℃時開始進(jìn)入不穩(wěn)定狀態(tài)，因此我們在實際使用中通常要求電池工作溫度不高于60℃。當(dāng)電池溫度達(dá)到150℃時電池會進(jìn)入到熱失控的過程，電池自發(fā)升溫速度會達(dá)到1000℃/min，直至電池發(fā)生起火爆炸。

作者采用COMSOL對鋰離子電池在20℃下，以30A、42A和57A電流充電時電池溫度和電壓的變化進(jìn)行了模擬仿真，電池電壓仿真結(jié)果與實驗結(jié)果之間的最大誤差為0.08V，溫度的最大誤差僅為2.5℃，表明該模型能夠很好的反映電池充電過程中真實溫度變化。根據(jù)仿真結(jié)果，在充電結(jié)束時電中心的平均溫度分別為36.2℃、41.5℃和45.7℃，可以看到隨著充電電流的增大，充電結(jié)束時電池的溫度也明顯提高。

在充電結(jié)束時正極區(qū)域的溫度是最高的，正極溫度較高的原因主要有兩個：1）正極材料的電導(dǎo)率較低，因此在充電的過程中產(chǎn)熱較多；2）正極材料的熱導(dǎo)率要比負(fù)極低，因此充電過程中產(chǎn)生的熱量很難在短時內(nèi)擴(kuò)散出去，上述的兩個原因?qū)е铝顺潆娊Y(jié)束時正極的溫度較高。同時我們從仿真結(jié)果也可以看到，充電電流對于電池內(nèi)部溫度差距具有顯著的影響，在30A的電流下電池內(nèi)部的最大溫差為1.42℃，在42A電流下電池內(nèi)部的最大溫差為2.52℃，57A電流下電池內(nèi)部的最大溫差為4.41℃。

從仿真結(jié)果可以看到在靠近正極極耳位置的溫度是最高，因此作者以此處溫度為參考分析了鋰離子電池在不同充電電流下的溫度，從而確定鋰離子電池最大安全充電電流。根據(jù)仿真結(jié)果，當(dāng)環(huán)境溫度為20℃時，在電池充電電流達(dá)到93.48A（1.64C），充電結(jié)束時電池內(nèi)的最高溫度達(dá)到了59.5℃，達(dá)到了鋰離子電池安全使用的上限溫度。

作者參考廈門年平均溫度的變化趨勢，給出了10-40℃溫度范圍內(nèi)電池的最大安全充電電流，隨著環(huán)境溫度的升高，電池最大安全充電電流也在下降，最大安全充電電流與環(huán)境溫度之間的關(guān)系可以用下式進(jìn)行表達(dá)，其中x為環(huán)境溫度，a為-0.07655，b為1.78，c為111.1。

根據(jù)仿真結(jié)果，當(dāng)環(huán)境溫度較低時電池的最大安全充電電流將達(dá)到一個穩(wěn)態(tài)值，根據(jù)上式1當(dāng)環(huán)境溫度降低到0℃時電池的最大安全充電電流可以達(dá)到111.1A，但是這僅僅是從溫度角度得到的結(jié)果，在實際中由于低溫下負(fù)極動力學(xué)條件較差，因此大電流充電時負(fù)極存在析鋰的風(fēng)險，因此實際上的安全充電電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于111.1A，上式的計算結(jié)果僅適用于高于常溫的條件。

基于上述模型，作者還分析了不同長/寬比值與最大充電電流之間的關(guān)系，從下圖b可以看到當(dāng)電池的長/寬比為1.61時，上式1中的b值達(dá)到最小，這表明此時電池最大安全充電電流受環(huán)境溫度的影響最小，此時在同樣溫度下電池充電電流可以達(dá)到最大，因此根據(jù)仿真結(jié)果要使電池獲得最大安全充電電流，電池的長/寬比應(yīng)該設(shè)置在1.61附近。

Hang Li采用模型法成功分析了NCM811/硅碳電池在不同環(huán)境溫度下的最大安全充電電流，同時還分析了電池的長/寬比對于電池最大充電安全充電電流的影響，但是該模型由于沒有考慮電池的電化學(xué)反應(yīng)過程，因此在低溫下計算結(jié)果并不能作為參考。

（責(zé)任編輯：fqj）