成本、能量密度、快充特性一直是評(píng)估動(dòng)力電池的三大重要指標(biāo)。仔細(xì)觀察近年各大品牌電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)布會(huì)，快充一直是商家著力吆喝的賣(mài)點(diǎn)之一。最近，美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(OakRidgeNationalLaboratory)和美國(guó)田納西州立大學(xué)(UniversityofTennessee)的研究人員針對(duì)NMC811/石墨體系的快充限制因素進(jìn)行了細(xì)致評(píng)估。

首先，作者分別分析了不同充電倍率下NMC811/石墨全電池、NMC811扣電和石墨扣電的容量發(fā)揮。圖1A所示為NMC811/石墨軟包電池的充放電曲線。不難看出充電倍率越高，電池容量衰減越快：1/10C充電電池容量為197mAh/gNMC，6C充電電池容量衰減至140mAh/gNMC(72%容量保持率)。如圖1B所示，與全電池相比，NMC811扣電1/10C充電電池容量為197mAh/gNMC，6C充電電池容量為162mAh/gNMC(80%容量保持率)。圖1C為石墨的扣電充放電曲線。石墨容量隨充電倍率提高而衰減的現(xiàn)象更為顯著：1/3C充電容量為347mAh/ggraphite，1C充電容量為284mAh/ggraphite(80%容量保持率)，而6C充電容量則衰減至99mAh/ggraphite(40%容量保持率)。以上結(jié)果證明高倍率下石墨負(fù)極的性能惡化更為嚴(yán)重，負(fù)極是限制電池快充能力的關(guān)鍵因素。

為了進(jìn)一步準(zhǔn)確評(píng)估不同充電倍率下正、負(fù)極的容量特性及排除對(duì)電極的影響，作者取了50%SOC全電池的正、負(fù)極分別制成對(duì)稱(chēng)電池。圖2A和圖2B分別NMC811和石墨對(duì)稱(chēng)電池的充放電曲線，圖2C為不同倍率下NMC811和石墨容量密度衰減及N/P比變化。與扣電結(jié)果相似，當(dāng)充電倍率高于1C石墨容量急劇降低，而NMC811則在1/10C到4C都還有著較好的容量保持。為了避免析鋰，電池設(shè)計(jì)時(shí)都會(huì)讓N/P比大于1。但如圖2C所示，初始N/P=1.15，隨著充電倍率提高石墨容量衰減過(guò)快，會(huì)出現(xiàn)N/P<1的現(xiàn)象(3C充電N/P=1，4C充電N/P=0.5)，從而極易發(fā)生析鋰(圖2D)。

圖3

此外，作者還利用對(duì)稱(chēng)電池研究了NMC811和石墨在不同溫度下的EIS譜。對(duì)比圖3A和圖3B可以發(fā)現(xiàn)，盡管石墨是限制電池快充能力的重要因素，但其在各測(cè)試溫度下均有較小的電荷轉(zhuǎn)移電阻，表明電荷轉(zhuǎn)移電阻不是限制石墨快充性能的因素。圖3C所示不同溫度下NMC811和石墨對(duì)稱(chēng)電池的Arrhenius關(guān)系，其中斜率代表各電極的解溶劑化能。盡管Li+在石墨上的解溶劑化能較小，但考慮到石墨負(fù)極厚度大于NMC811正極厚度，高充電倍率下擴(kuò)散和鋰鹽消耗將成為限制快充的重要因素。

增大正極負(fù)載量是提高電池能量密度的有效方式之一。但如圖3D所示，對(duì)于NMC532，隨著負(fù)載量的提高，高倍率下容量衰減愈發(fā)明顯;而由于NMC811有著更高的體積能量密度，同等負(fù)載量和高倍率下其容量衰減較NMC532弱很多。因此，正極材料負(fù)載量和種類(lèi)也會(huì)影響電池快充特性，電池設(shè)計(jì)時(shí)也應(yīng)予以考慮。