鋰離子電池脈沖充電研究進(jìn)展

吳冰冰

摘 要：鋰離子電池在生活中已得到廣泛使用，但其仍存在充電耗時(shí)、電能損耗大、極化嚴(yán)重等缺點(diǎn)。為實(shí)現(xiàn)鋰離子電池大容量高效快速充電，多個(gè)研究發(fā)現(xiàn)脈沖快速充電能消除極化反應(yīng)，與此同時(shí)，該充電方式不僅能提高電池的使用壽命，還可大幅度提高充電速度與增加充電容量。

關(guān)鍵詞：鋰離子電池；脈沖；充電

研究者對(duì)鋰離子電池充電的研究已有相當(dāng)一段歷史，同時(shí)，也取得了許多重大的進(jìn)展，在各個(gè)領(lǐng)域中的應(yīng)用也隨之廣泛。鋰離子電池得以成功的占據(jù)人們生活的一部分，很大一部分原因是鋰離子電池的優(yōu)勢(shì)：穩(wěn)定的放電電壓、較廣泛工作的溫度范圍、較低的自放電率以及無記憶效應(yīng)。而仍存在充電耗時(shí)、電能損耗大、極化嚴(yán)重等缺點(diǎn)，對(duì)電池的性能損耗較大，因此，針對(duì)大容量鋰離子電池對(duì)充電速率較高的需求，研究人員對(duì)此進(jìn)行了許多研究，同時(shí)也取得了重大進(jìn)展，本文就鋰離子電池的脈沖充電研究進(jìn)展方面作出綜述。

首先，了解常見的鋰離子電池的充電方式：恒壓充電、恒流充電、恒流恒壓充電等充電方式。作為最簡(jiǎn)單的一種充電方式——恒壓充電，其操作簡(jiǎn)單方便，但是在恒定電壓下，電流的電流不斷減小，充電速率也在隨之降低，因此所需的充電時(shí)間長(zhǎng)。另一種電流不變的恒流充電方式，其電流在充電后期會(huì)超過最大可充電電流，因此無法充滿電池。此外，恒流恒壓充電是鋰離子電池目前廣泛采用的充電方式，分為恒流和恒壓兩個(gè)階段。在恒流階段，充電電流保持恒定，電池端電壓持續(xù)上升。當(dāng)端電壓上升到充電截止電壓時(shí)改為恒壓充電，此階段電池端電壓保持恒定，充電電流不斷減小。

而在脈沖充電中，加入負(fù)脈沖不僅能強(qiáng)制性的去極化，除此以外，還可提高充電電流的接受率，增加充入容量。另外，間歇充電是一種自然的去極化方式，加入間歇時(shí)間可以進(jìn)一步消除極化效應(yīng)。脈沖快速充電是一種結(jié)合了負(fù)脈沖和間歇時(shí)間的充電方式，第一階段，鋰電池電荷容量較低，此時(shí)電流接受率很強(qiáng)，因此可以采用大電流進(jìn)行充電；第二階段，進(jìn)行一小段時(shí)間的負(fù)脈沖充電，及時(shí)消除極化效應(yīng)，同時(shí)提高電流接受率；第三階段，停充一段時(shí)間進(jìn)一步消除極化效應(yīng)。如此循環(huán)往復(fù)，直至電池電壓達(dá)到截止電壓時(shí)停止充電。

另一研究報(bào)告“動(dòng)力鋰離子電池部分荷電和深度放電狀態(tài)下的脈沖充電技術(shù)”顯示，設(shè)計(jì)的間歇-正負(fù)脈沖智能充電器可以實(shí)現(xiàn)正、負(fù)脈沖交替充電，模擬部分荷電和深度放電的實(shí)際使用特點(diǎn)，進(jìn)行不同的充電模式循環(huán)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，同時(shí)對(duì)失效單體電池進(jìn)行了容量恢復(fù)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中對(duì)電池進(jìn)行正負(fù)級(jí)電位測(cè)量分析，驗(yàn)證對(duì)其結(jié)構(gòu)的恢復(fù)作用，并對(duì)修復(fù)結(jié)果穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，間歇-正負(fù)脈沖充電提高了正負(fù)極的活性，抑制了濃差極化的形成，且修復(fù)結(jié)果穩(wěn)定，從而有效提高了電池的循環(huán)壽命。

在進(jìn)行大電流充電的情況下，脈沖充電方式可以有效減小和消除了鋰離子電池的極化現(xiàn)象，因此可以對(duì)其進(jìn)行快速充電，并且對(duì)電池的損害程度大幅度減小。

至于脈沖充電過程的微觀機(jī)理的認(rèn)識(shí)現(xiàn)在較為匱乏，目前國(guó)內(nèi)有浙江大學(xué)化學(xué)工程與生物工程學(xué)院的研究人員對(duì)采用特定脈沖電流為鋰離子電池充電的設(shè)計(jì)。該研究的成果已在Science Advances 上發(fā)表，其中研究實(shí)驗(yàn)證實(shí)了脈沖充電頻率和幅值可以有效的調(diào)控鋰離子溶劑化結(jié)構(gòu)特征，對(duì)比直流電流，脈沖充電大大改善了鋰離子在電極表面的沉積，同時(shí)鋰枝晶生長(zhǎng)的可能性大大減小。通過該研究得出并且解釋了脈沖特征、鋰離子擴(kuò)散、鋰枝晶生長(zhǎng)這三者的內(nèi)在聯(lián)系。

而為了使得鋰離子電池能夠在進(jìn)行大電流充電的情況下，通過脈沖充電方式來有效減小和消除了鋰離子電池的極化現(xiàn)象，可以對(duì)其進(jìn)行快速充電，并且對(duì)電池的損害程度減小。

結(jié)論：

對(duì)于實(shí)現(xiàn)鋰離子電池大容量高效快速充電，研究人員正在做著許多實(shí)驗(yàn)研究，與此同時(shí)，已經(jīng)取得了一些重大成就。如何在微觀上解釋脈沖充電，如何更好地利用脈沖改善鋰離子在電極表面的沉積，同時(shí)使鋰枝晶生長(zhǎng)的可能性大大減小等等，這些問題在目前的研究階段已經(jīng)取得初步的可觀的成績(jī)，相信在接下來的科研實(shí)驗(yàn)中，會(huì)有更進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)成果出現(xiàn)，用以解釋該脈沖充電，以及利用鋰離子電池脈沖充電解決目前鋰離子電池所面臨的發(fā)展瓶頸問題，為更進(jìn)一步的大容量鋰離子電池作出更多的貢獻(xiàn)。在目前研究階段得出結(jié)論，在進(jìn)行大電流充電的情況下，脈沖充電方式可以有效減小和消除了鋰離子電池的極化現(xiàn)象，因此可以對(duì)其進(jìn)行快速充電，并且對(duì)電池的損害程度大幅度減小。

參考文獻(xiàn)：

[1]韓布興.脈沖充電提高鋰金屬電池穩(wěn)定性的關(guān)鍵分子機(jī)理[J].物理化學(xué)學(xué)報(bào)，2018，34（03）：231-232.

[2]戎澤，李子坤，楊書展，任建國(guó)，黃友元，岳敏.鋰離子電池用碳負(fù)極材料綜述[J].廣東化工，2018，45（02）：117-119.

[3]孫麗貝.Reflex脈沖快速充電[J].內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟(jì)，2018（02）：106+108.

[4]李爭(zhēng)，孫宏旺，智若東，薛增濤.動(dòng)力鋰離子電池部分荷電和深度放電狀態(tài)下的脈沖充電技術(shù)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2018，41（02）：102-106.

[5]謝詩逸，王笛舟.鋰離子電池用石墨烯碳材料的研究進(jìn)展[J].科技經(jīng)濟(jì)導(dǎo)刊，2018（01）：66+99.

[6]孫麗，史冊(cè).鋰離子電池快充技術(shù)的研究進(jìn)展[J].電源技術(shù)，2017，41（07）：1085-1088.

[7]趙衛(wèi)民，孫新華，秘軍林，陳世娟，謝紅明.鋰離子電池用高電壓電解液的研究進(jìn)展[J].電源技術(shù)，2015，39（11）：2540-2542.

[8]馬進(jìn)紅，王正仕，蘇秀蓉.鋰離子動(dòng)力電池大電流脈沖充電特性研究[J].電源學(xué)報(bào)，2013（01）：30-33+38.