锂电池厂家解析：锂电池快充技术问题
锂电池的应用广泛，谈及锂电产品，大家最关心的问题就是其续航问题。
我们以国内盛行的电动汽车为例，当前普遍续航400km左右，从大部分出行场景上来说，这个数值差不多够了。但是，为什么大部分人(包括本人在内)，总觉得这个里程远远不够，希望再加个三五百公里才安心呢？
究其原因在于充电便利性远远不如加油
如果燃油车显示没油了，打开手机导个航，开个三五公里、花个三五分钟就能加上油。充电就不一样了，首先不一定能找到充电站，其次即使找到充电站不一定能排上队，最后即使排上队了，至少也得充个把小时才能再次上路。
制约充电便利性的，主要是充电速度太慢。有两个制约效应：
1.充电速度慢，意味着要耽误电动汽车车主的宝贵时间，这要计入直接成本。
2.充电速度慢，意味着租个地盘开充电站的服务效率低，投入产出不划算，间接制约了充电站的普及程度。
锂电池快充技术的两个角度
我们经常将锂电池比喻成“水箱模型”：相比较于大部分电池采用的是转化(Conversion)的化学反应，伴随着显著的物质转化过程，而锂离子电池采用的是非常独特的锂嵌入(Intercalation) 化学反应，锂离子确实很像倒水一样在正极与负极之间倒来倒去。
既然把锂离子电池比喻成水箱模型，那水和油又有什么区别？为何往燃油车里倒油这么快，往电动车里“倒电”就这么慢呢？
这就是所谓的锂电池快充技术问题，要从两个角度来理解：
1.充电装置的角度：充电桩与车载高压系统，是否具备高功率输出的能力？
2.从锂电池的角度：在保证安全与寿命的前提下，锂离子电池是否具备承受高功率输入的能力？
近期，保时捷发布了豪华电动汽车Taycan，最引人注目的就是车载800V高压系统、可支持350kW的超快充电功率。350kW是什么概念？相当于半个小区的空调都停下来，省下来的电同时充入一辆小小的电动汽车。
保时捷此举主要是从充电装置的角度来突破技术，这也是汽车主机厂和零部件厂着眼的领域。实际上，研究起来更难、可能也更重要的是另外一个角度：锂离子电池是否具备承受高功率输入的能力？
今天分享的论文就是讨论这一话题：<Lithium-ion battery fast charging: A review>，翻译成中文就是：“锂离子电池快充问题的综述”。
锂电池快充带来了什么风险？
简而言之，锂电池快充带来三个效应：热效应(Thermal effect)、析锂(Li plating)与机械效应(Mechinal effect)。
热效应很好理解，根据焦耳定律，发热量是电流的平方关系：
J = I^2 R
再考虑到P=UI，从充电装置的角度来讲，在提高充电功率的情况下不提高电流，只能提高电压，这就是为什么车载800V高压系统对超快充如此重要。
车载高压系统的电压提上去了，只是降低了充电线缆中的发热量。而锂离子电池单体电芯的电压是不可能大幅提高的，它们必须忍受大电流带来的发热量两方面问题：
发热总量：电芯本身的散热性能和电池包整体的散热性能都需要加强。
不均匀性：汽车热管理做得好，不同电芯之间的温差可以做到±2°C的水平 ，较差也能做到±5°C的水平。但是，这只是电芯表面的温度，快充时内部发生了什么呢？下面两图显示，在快充时电芯内部的最大温差高达10°C以上，正极温度最高。
如果给定了电芯，主机厂仅在热管理层面做再多工作，都很难从根本上改善快充时带来的电芯内部温度不一致性。为改善这一性能，电芯厂需要专门改进电极材料、电芯设计，论文中均有综述介绍。
热效应的危害是什么呢？两个方面：寿命(Aging)与安全(Safety)
关于寿命(Aging)，温度高了会怎么样？我们可以参考赵忠详老师的一句台词“春天来了,万物复苏,大草原又到了动物们…………的季节”。锂离子电池寿命衰减的副反应(Side-reaction)和大草原的动物差不多，与温度是强相关。
具体是哪些副反应如此躁动呢？被提及最多的是负极SEI膜(Solid electrolyte interphase)生长。
关于安全(Safety)。今年上半年的特斯拉、蔚来自燃事件，我听过吃瓜群众一种直观朴素的理解方式，“天气本来就热、充电更热，当电池温度逐渐上升到一个临界点之后，就像野草堆一样自己燃烧起来了”。这种理解正确吗？
这种理解有正确的一面：电池热失控(Thermal Runaway)的链式反应确实存在温度临界点。
如下图所示，热失控的蔓延被划分成了3个阶段，纵坐标是对数坐标的产热速率：在任何一个阶段，只要散热速率高于产热速率，热失控就不会继续蔓延。同时我们可以看到，第II阶段的产热速率显著上升（注意，这是对数坐标），这个阶段温度起点T2，对应的就是是吃瓜群众口中的“临界温度”。
那么问题来了，T2有一百多度呢，并不是很容易达到。咱们给它通入电流，是效率高达95%以上的充电行为(产热比例很小)，并不是在加热电阻丝。电池包毕竟是半吨重的大家伙，就算白送给你，加热到100多度也很有难度啊！
所以说，仅凭热效应根本达不到临时温度T2，电池包并不像野草堆那么危险。那到底是什么力量，让临界温度T2出人意料地降临？
这就要讨论快充带来的析锂(Li plating)效应了 —— 它像一个魔鬼，能大幅降低临界温度T2。
锂离子电池是基于锂嵌入(Intercalation) 反应设计，但是当负极电流过大或温度过低时，负极电位低于Li/Li+参考电极的电位时，就会发生锂金属电池才有的锂转化(Conversion) 反应，产生金属锂，这也就是所谓的析锂(Li plating)。
锂转化(Conversion) 反应非常可怕，它带来的安全事故曾让前途无量的世界第一家锂电池企业Moli Energy破产倒闭。
析锂反应持续发生后，会生长成像树枝一样的结构，大家称之为锂枝晶。让我们看看它的样子：
早期朴素的理解是：锂枝晶不断生产，最终刺穿了正负极之间的隔膜导致内短路(Internal Short Curcuit)，这种理解直观上说得通，锂枝晶那毕竟是金属啊，刺穿个非金属的薄膜还不是轻而易举？
近年来有另外一种解释渐渐占据上风：锂金属特别软，生产出来的锂枝晶又不是铸造、锻造出来的，更是软趴趴地站都站不起来的微观形态，怎么可能刺穿隔膜呢？
因此，并不是锂枝晶刺穿隔膜导致的内短路热失控，而是锂枝晶的树状结构因为某些机理使得临界温度T2大为降低，从而使热失控更容易发生！
也就是说，快充时的热效应提高了电池温度、析锂效应降低了临界温度，两种效应里应外合，共同导致了热失控的发生。
除对安全性的影响外，快充析锂过程中锂离子数量减少，当然也导致了容量的衰减，对电池寿命也造成了影响。此论文还指出，析锂过程似乎是部分过逆的，快充之后只要让电池赶紧休息一下，锂金属会重新变成锂离子(未能恢复的那部分被称为死锂Dead Lithium)、临界温度T2也会恢复正常的较高值。
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