鋰離子電池脈沖充電研究進展

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、電能損耗大、極化嚴重等缺點。為實現(xiàn)鋰離子電池大容量高效快速充電，多個研究發(fā)現(xiàn)脈沖快速充電能消除極化反應，與此同時，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。

關鍵詞：鋰離子電池；脈沖；充電

研究者對鋰離子電池充電的研究已有相當一段歷史，同時，也取得了許多重大的進展，在各個領域中的應用也隨之廣泛。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：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。而仍存在充電耗時、電能損耗大、極化嚴重等缺點，對電池的性能損耗較大，因此，針對大容量鋰離子電池對充電速率較高的需求，研究人員對此進行了許多研究，同時也取得了重大進展，本文就鋰離子電池的脈沖充電研究進展方面作出綜述。

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。作為最簡單的一種充電方式——恒壓充電，其操作簡單方便，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，因此所需的充電時間長。另一種電流不變的恒流充電方式，其電流在充電后期會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。當端電壓上升到充電截止電壓時改為恒壓充電，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，加入負脈沖不僅能強制性的去極化，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，加入間歇時間可以進一步消除極化效應。脈沖快速充電是一種結合了負脈沖和間歇時間的充電方式，第一階段，鋰電池電荷容量較低，此時電流接受率很強，因此可以采用大電流進行充電；第二階段，進行一小段時間的負脈沖充電，及時消除極化效應，同時提高電流接受率；第三階段，停充一段時間進一步消除極化效應。如此循環(huán)往復，直至電池電壓達到截止電壓時停止充電。

另一研究報告“動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”顯示，設計的間歇-正負脈沖智能充電器可以實現(xiàn)正、負脈沖交替充電，模擬部分荷電和深度放電的實際使用特點，進行不同的充電模式循環(huán)對比實驗，同時對失效單體電池進行了容量恢復實驗。實驗中對電池進行正負級電位測量分析，驗證對其結構的恢復作用，并對修復結果穩(wěn)定性進行驗證。實驗結果表明，間歇-正負脈沖充電提高了正負極的活性，抑制了濃差極化的形成，且修復結果穩(wěn)定，從而有效提高了電池的循環(huán)壽命。

在進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，因此可以對其進行快速充電，并且對電池的損害程度大幅度減小。

至于脈沖充電過程的微觀機理的認識現(xiàn)在較為匱乏，目前國內(nèi)有浙江大學化學工程與生物工程學院的研究人員對采用特定脈沖電流為鋰離子電池充電的設計。該研究的成果已在Science Advances 上發(fā)表，其中研究實驗證實了脈沖充電頻率和幅值可以有效的調(diào)控鋰離子溶劑化結構特征，對比直流電流，脈沖充電大大改善了鋰離子在電極表面的沉積，同時鋰枝晶生長的可能性大大減小。通過該研究得出并且解釋了脈沖特征、鋰離子擴散、鋰枝晶生長這三者的內(nèi)在聯(lián)系。

而為了使得鋰離子電池能夠在進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，可以對其進行快速充電，并且對電池的損害程度減小。

結論：

對于實現(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驗研究，與此同時，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，同時使鋰枝晶生長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，相信在接下來的科研實驗中，會有更進一步的實驗成果出現(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，為更進一步的大容量鋰離子電池作出更多的貢獻。在目前研究階段得出結論，在進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，因此可以對其進行快速充電，并且對電池的損害程度大幅度減小。

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