鋰離子電池最大充電電流與溫度、SoC等因素的關(guān)系

隨著各國(guó)相繼推出燃油車禁售時(shí)間表，近日工業(yè)和信息化副部長(zhǎng)辛國(guó)斌在2017中國(guó)汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展（泰達(dá)）國(guó)際論壇上表示“全球產(chǎn)業(yè)生態(tài)正在重構(gòu)，許多國(guó)家紛紛調(diào)整發(fā)展戰(zhàn)略，在新能源、智能互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)加快布局。目前我國(guó)工信部也啟動(dòng)了相關(guān)研究，制定停止生產(chǎn)銷售傳統(tǒng)能源汽車時(shí)間表。”

相比于傳統(tǒng)的燃油車，新能源汽車不產(chǎn)生任何尾氣排放，在環(huán)保上具有天然優(yōu)勢(shì)，但是新能源汽車在使用的便捷性上仍然有待提高。首先是充電樁的數(shù)量不足，導(dǎo)致充電困難。其次充電時(shí)間較長(zhǎng)，導(dǎo)致電動(dòng)汽車不適合長(zhǎng)途旅行。前者可以通過(guò)基礎(chǔ)設(shè)施等發(fā)展得到解決，后者則需要鋰離子電池技術(shù)的進(jìn)步才能克服。

我們知道相比于快速放電性能，鋰離子電池在快速充電方面還有很大的差距，這其中的主要原因是在Li+在電解液中是以溶劑化的狀態(tài)存在的，在擴(kuò)散通過(guò)SEI膜并嵌入到石墨的內(nèi)部時(shí)，Li+需要首先進(jìn)行去溶劑化過(guò)程，而這一過(guò)程是需要消耗能量的，這就在SEI／電解液界面處形成了一道無(wú)形的勢(shì)壘，阻礙Li+的快速擴(kuò)散和嵌入道石墨負(fù)極內(nèi)部。而放電過(guò)程則正好相反，Li+擴(kuò)散進(jìn)入到電解液中，發(fā)生溶劑化，并不需要消耗能量，因此擴(kuò)散鋰離子電池的放電速度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于充電速度【1】。

為了實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車快速充電而不對(duì)鋰離子電池的電性能造成損害，就需要對(duì)動(dòng)力電池可接受的最大充電電流進(jìn)行研究。過(guò)大的電流快速充電常見(jiàn)的后果是金屬鋰在負(fù)極析出，特別是在低溫下，石墨負(fù)極的動(dòng)力學(xué)條件變差，更容易導(dǎo)致金屬鋰在石墨負(fù)極的表面析出【2】。

鋰離子電池正負(fù)極材料充電過(guò)程中一般都會(huì)有一定的體積膨脹，放電的過(guò)程，則會(huì)發(fā)生體積收縮，但是當(dāng)負(fù)極析出金屬鋰時(shí)，特別是當(dāng)部分的金屬鋰為不可逆析出時(shí)，則鋰離子電池的體積也會(huì)發(fā)生不可逆的膨脹，因此可以通過(guò)測(cè)量電池厚度變化對(duì)負(fù)極金屬鋰析出的行為進(jìn)行判斷。德國(guó)戴姆勒公司的研發(fā)部門近日通過(guò)測(cè)量鋰離子電池在充電過(guò)程中的厚度變化，研究了離子電池最大充電電流與充電量、SoC和環(huán)境溫度之間的關(guān)系。

關(guān)于鋰離子電池厚度的研究，采用的測(cè)試方法的精度一般在1um左右，而在戴姆勒公司的研究中，F(xiàn).Grimsmann等則使用了精度高于10nm的測(cè)試工具對(duì)充電過(guò)程中鋰離子電池厚度變化進(jìn)行了研究。借助于如此之高的精度，研究者們可以對(duì)極小的充電量下鋰離子電池的厚度變化進(jìn)行測(cè)量，這一點(diǎn)在電動(dòng)汽車的制動(dòng)過(guò)程中的能量回收來(lái)說(shuō)具有很大的意義。

實(shí)驗(yàn)中采用的電池為能量型的20Ah方形NMC/石墨鋰離子電池，實(shí)驗(yàn)在控溫箱中進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)溫度分別控制在0，10和25℃，這都是電動(dòng)汽車常見(jiàn)的使用溫度，實(shí)驗(yàn)的電池的SoC分別為12.5%、50%和75%，基本上覆蓋了動(dòng)力電池的使用范圍。下圖為SoC為12.5%，溫度10℃，充電量為1.25%時(shí)電池在不同的充放電倍率下，電池厚度變化的信息。從圖上可以看到，在小電流時(shí)，在鋰離子電池完成放電時(shí)，電池的厚度還能夠回到初始值，但是當(dāng)充電電流達(dá)到4C以上時(shí)，電池的厚度就無(wú)法恢復(fù)到初始厚度，而這部分增加的厚度就是因?yàn)榻饘黉囋谪?fù)極表面析出造成的，并且電流越大，析出的金屬鋰越多，鋰離子電池厚度增加的也就越多。所以此時(shí)，保證電池不析出金屬鋰的電流就在3C-4C之間。

下圖為SoC為12.5%的電池，不同的充電量下（1.25%、2.5%、5%和87.5%），最大電流與環(huán)境溫度的關(guān)系，從圖上可以看到，充電量越多，則最大充電電流越小，溫度越低，充電電流越小。同時(shí)我們注意到，雖然四條曲線雖然電流差異很大，但是幾條曲線的斜率基本上是一致的。

下圖為SoC為12.5%的電池，在不同的溫度下，最大充電電流與充電量之間的關(guān)系，從圖上可以注意到，充電量越小，則最大充電電流越大，溫度越高，最大充電電流越大。

下圖為SoC為12.5%的電池，在溫度為10℃的條件下，最大充電電流與充電電量之間的關(guān)系，可以看到，此時(shí)充電電量與最大充電電流之間幾乎是呈現(xiàn)線性相關(guān)的關(guān)系的，關(guān)系式如下所示，其中a=4.3。這意味著小充電電量，可以采用更大的充電電流，例如當(dāng)充電電量為0.1%時(shí)，對(duì)于SoC為12.5%，溫度為10℃的電池，最大充電電流可達(dá)13.7C。

下圖為25℃，不同的充電電量下（1.25%、2.5%和5%），最大充電電流與電池SoC之間的關(guān)系，從圖上可以看到，隨著電池SoC狀態(tài)的增加，鋰離子電池的最大充電電流也在降低。

從上述分析中可以看到，電池的SoC狀態(tài)，環(huán)境溫度、充電電量等都對(duì)鋰離子電池的最大充電電流有著較大的影響，環(huán)境溫度越高、充電量越小、電池的SoC狀態(tài)越低，則可以接受的充電電流越大，反之則越小。因此在鋰離子電池充電控制過(guò)程中需要對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行精確測(cè)量，從而對(duì)最大充電電流進(jìn)行控制，避免電流過(guò)大對(duì)鋰離子電池造成不可逆的傷害。