2022.12.6日下午14:00-15:00，電化學線上課堂：鋰離子電池極速快充(XFC)開發的難點及對策開播！歡迎大家的觀看！

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2022.12.6日下午14:00-15:00，電化學線上課堂：鋰離子電池極速快充(XFC)開發的難點及對策開播！歡迎大家的觀看！

近來，盡管動力電池快充技術在快速發展，但充電時間，效率和壽命焦慮依然是全 球范圍內使用電動車的主要焦慮。鋰離子電池以高能量密度和長壽命成為電動車的主要能源。當前，有幾種方式來控制快充條件下的電池健康狀態。本文提出了充電協議的清晰分類，將快充協議分為功率管理協議，依賴于對電流，電壓和電池溫度控制的熱管理協議，以及依賴于鋰離子電池材料物理修飾和化學結構的材料層面的充電協議。并分析了每種快充協議的要求，優勢和劣勢。

Fig 1 電動汽車(EV)研究路線圖

鋰離子電池不同層級對快充的影響

材料-電極-電池層級對快充的影響

鋰離子電池快充協議

快充協議的目的是降低充電時間，優化效率和循環壽命，降低充電損失。消除大倍率充電和深度放電所導致的活性物質損失，電極表面的SEI膜重整，內部溫度變化和減小容量損失。

Fig 2 鋰離子電池主要快充充電協議類型

Fig 3主要快充協議的優勢及劣勢

 恒電流恒電位充電協議

CC-CV 作為傳統的充電協議，其示意圖如Fig 4 所示，即恒電流充到指定電位后，在截止電壓下持續恒壓充電至電流降低為0.1C 或0.01 C。CC-CV的主要問題是充電時間較長，且CV恒壓過程會導致電池內部發生化學反應。

Fig 4 恒電流-恒電位充電(CC-CV)示意圖

多步恒電流(MCC) 充電協議種類

Fig 5 多步恒電流(MCC) 充電協議種類

(a) 充電電流多步變換

(b) 混合技術(HT) 

(c) 條件隨機變化技術 (CRT)

(d) 多步恒電流超快充技術 (ML MCC-CV)

MCC充電協議是通過多步的變換的恒電流進行充電，作為目前最 具潛力的超快充技術，有利于縮短充電時間，同時降低電池的衰減和能量損失，并提高效率，降低產生的熱，避免析鋰和過充等，但是，MCC充電協議需要對電池內部的電路進行全面準確評估后才能有效進行開發。因此，MCC的開發需要直流和交流阻抗技術組合使用。

熱管理協議

Fig 6 熱管理協議

恒溫-恒壓充電協議示意圖

熱管理充電協議依賴于對環境溫度和電池溫度的控制，溫度作為影響電池老化非常重要的因素, 一種新的快充協議基于恒溫很恒壓(CT-CV) 如Fig 所示。CTCV基于施加2C電流，然后電流指數衰減至1C ,當電壓到達4.2V時，電流開始衰減至0.1C。為了維持溫度恒定，采用PID進行溫度控制。

脈沖電流充電協議(PCC)

Fig 7 脈沖充電電流示意圖

Fig 8 脈沖電流充電協議

(a) 標準協議-固定占空比

(b) 標準協議-變化占空比

(c) 標準協議-衰減電流

(d) 標準協議高-低電流變化

(e) 不同的電壓脈沖

PCC 協議依賴于控制負載的循環，頻率和充電脈沖的幅值等，PCC有利于縮短充電時間，低溫條件下加熱電池，抑 制鋰析出，增加功率轉換，有利于消除濃差極化。缺點是控制器要求極其復雜，難度很高。

結論

經過以上分析，功率控制協議，由于充電時間短，發熱量低，效率高，避免鋰析出等優勢，成為目前鋰離子電池快充最 具潛力的方法之一，由于其波形的復雜性，對于溫度的監測，析鋰的有效評價等以及鋰離子電池內部等效電路的全面分析，對于所使用的開發設備提出巨大挑戰。多步電流法及脈沖電流快充協議，測試設備需要具備以下能力。

參考文獻

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

阿美特克集團攜手旗下8大 品 牌，7位鋰電行業專家，在陽春3月為大家帶來鋰離子電池專場線上直播，針對鋰電行業痛點，提出解決方案。

主題：《鋰離子電池開發挑戰及應對策略》

第 一場：3月22日 - 鋰離子電池關鍵材料成份、物理及電化學性能測試(14:00-16:00)

第二場：3月29日- 鋰離子電池電芯包裝阻隔性檢測/電池包連接件/電池裝配的質量控制(14:00-15:30)　

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以鋰離子電池作為動力的電動車的充電時間，極大的限制了電動車的發展。因此，寄希望于極速快充（XFC）能夠在10-15分鐘內實現充電0-80% SOC。由于離子傳輸的限制和析鋰的風險，這對目前采用石墨（Gr）基負極和過渡金屬氧化物正極的鋰離子電池（LIBs）提出了巨大的挑戰。通常認為，充電過程涉及正負極材料或電解質中的離子傳輸，和固液界面的電荷傳輸。同時大量的文獻認為，離子在充滿電解質的電極孔隙或電極顆粒內部的擴散是快速充電過程中的限速步驟，特別是在較高負載（>3 mAh cm-2）的高比能量鋰離子電池。但難以直接觀測界面結構和離子傳輸機制，因此很難監測跨越電極-電解質界面的電荷轉移。

基于以上問題，清華大學張強教授團隊，采用紐扣電池三電極體系，利用輸力強1470E/1455輔助分壓，進行了動態EIS及同步正負極阻抗監測，結果表明，快速的電荷轉移速率對于實現不同尺寸材料的高比能量非常重要，這使得對之前傳質過程是快充主要速率限制的假設產生了新的認識。

Fig 1 . 紐扣電池中的三電極示意圖

A) 鋰參比電極是通過在銅線尖 端附加一小片鋰箔制成的

B) 紐扣三電極由工作電極，Li參比電極，兩層隔膜，

鋰片做對電極構成三明治結構

Fig 2 動態EIS用于研究電極界面動力學

A)   動態交流阻抗(DEIS)的電壓和電流曲線

B)   由DEIS獲得的典型Nyquist曲線，

石墨負極對參比和NCA正極對參比，

等效電路分別進行擬合

Fig3 NAC正極在充電過程中不同SoC下的NCA曲線。

直流電流為0.3C，GEIS電流擾動為0.03C

然而，除了以前專注于單電極的研究，圍繞著界面電荷轉移是否決定了鋰離子全電池的快速充電能力，如果是限制步驟，那是如何限制的，仍然然存在很大爭議。因此，三電極動態EIS提供了一種有效的思路。

Fig 4  石墨負極在充電過程中不同SoC下，

動態GEIS測試 DC電流0.25 C ，交流振幅為0.025 C.

結論

使用動態交流阻抗(DEIS)對三電極中正負極電荷轉移動力學進行了量化，不同于傳統穩態EIS, DEIS結合三電極可以獨立提取電池中正極或者負極的反應動力學。此外，在不同的電解質條件下，EC/DMC LiPF6(20.6 Ohm)與 EC/DMC LiTFSI （9.3Ohm）相比，NCA在不同的SoC下Rct減半。通過改進的電解質，FEC/DMC LiPF6，加速了鋰離子的去溶劑化，在快充條件下表現出更小的極化。

參考文獻

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

以鋰離子電池作為動力的電動車的充電時間，極大的限制了電動車的發展。因此，寄希望于極速快充（XFC）能夠在10-15分鐘內實現充電0-80% SOC。由于離子傳輸的限制和析鋰的風險，這對目前采用石墨（Gr）基負極和過渡金屬氧化物正極的鋰離子電池（LIBs）提出了巨大的挑戰。通常認為，充電過程涉及正負極材料或電解質中的離子傳輸，和固液界面的電荷傳輸。同時大量的文獻認為，離子在充滿電解質的電極孔隙或電極顆粒內部的擴散是快速充電過程中的限速步驟，特別是在較高負載（>3 mAh cm-2）的高比能量鋰離子電池。但難以直接觀測界面結構和離子傳輸機制，因此很難監測跨越電極-電解質界面的電荷轉移。

基于以上問題，清華大學張強教授團隊，采用紐扣電池三電極體系，利用輸力強1470E/1455輔助分壓，進行了動態EIS及同步正負極阻抗監測，結果表明，快速的電荷轉移速率對于實現不同尺寸材料的高比能量非常重要，這使得對之前傳質過程是快充主要速率限制的假設產生了新的認識。

Fig 1 . 紐扣電池中的三電極示意圖

A) 鋰參比電極是通過在銅線尖 端附加一小片鋰箔制成的

B) 紐扣三電極由工作電極，Li參比電極，兩層隔膜，

鋰片做對電極構成三明治結構

 Fig 2 動態EIS用于研究電極界面動力學

A)   動態交流阻抗(DEIS)的電壓和電流曲線

B)   由DEIS獲得的典型Nyquist曲線，

石墨負極對參比和NCA正極對參比，

等效電路分別進行擬合

Fig3 NAC正極在充電過程中不同SoC下的NCA曲線。

直流電流為0.3C，GEIS電流擾動為0.03C

然而，除了以前專注于單電極的研究，圍繞著界面電荷轉移是否決定了鋰離子全電池的快速充電能力，如果是限制步驟，那是如何限制的，仍然然存在很大爭議。因此，三電極動態EIS提供了一種有效的思路。

Fig 4  石墨負極在充電過程中不同SoC下，

動態GEIS測試 DC電流0.25 C ，交流振幅為0.025 C.

結論

使用動態交流阻抗(DEIS)對三電極中正負極電荷轉移動力學進行了量化，不同于傳統穩態EIS, DEIS結合三電極可以獨立提取電池中正極或者負極的反應動力學。此外，在不同的電解質條件下，EC/DMC LiPF6(20.6 Ohm)與 EC/DMC LiTFSI （9.3Ohm）相比，NCA在不同的SoC下Rct減半。通過改進的電解質，FEC/DMC LiPF6，加速了鋰離子的去溶劑化，在快充條件下表現出更小的極化。

參考文獻

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

直播時間：12月18日  上午9:30

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