充电5分钟,通话10小时?从快充技术谈谈锂电池的材料发展_20160414.docx

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充电5分钟,通话10小时?从快充技术谈谈锂电池的材料发展2016年2月,OPPO在MWC(世界移动通讯大会)发布了一项全新的电池技术—Super VOOC。近10分钟就可将一部手机电池充满!手机电池即将从现在”充电5分钟,通话2小时“进入”通话10小时“的时代。大家看到OPPO展示的“Super VOOC超级闪充”功能,一段在10分钟左右时间就把2500mAh容量电池的手机从5%充到100%的视频让很多人大呼黑科技,广大手机用户发现“屌爆了“。图1 Super VOOC,VOOC和普通充电效果对比首先,了解锂电池手机充电的三个阶段(图2):恒流预充电(CC Pre-charge)、大电流恒流充电(CC Fast Charge)和恒压充电(CV)。手机电量耗光之后电压降低,当低于一定数值时充电器会使用比较低的电流对锂电池进行预充电。经过一段时间,锂电池电压高于预定数值后,就进入第二个阶段大电流恒流充电,此时适当加大电流可以加快充电速度,具体过程可以参考下图。图2 锂电池充电过程当然了,OPPO VOOC技术在电源充电器中采用了两个核心技术:一是分段充电电流控制,另外一个是充电线缆和电池的多线路设置。另外,需要在电池的原材料(电芯和保护电路PCM板等)进行优化选择让电池本身能够接受这么大的电流。为了进一步了解快充是什么,需要知道传统锂电池充电的原理。锂电池充电原理即为充放电原理。传统的锂电池充放电过程(图3):充电过程:正极上锂离子生成—锂离子经电解液运动到负极—锂离子嵌入到负极的石墨碳层的微孔中—嵌入的锂离子越多充电容量越高。放电过程:锂离子脱离负极石墨碳层—运动回正极—正极锂离子越多放电容量越高。图3 锂离子电池基本组成锂离子电池内部需要包括几种基本材料(图4):正极(阴极)活性物质、负极(阳极)活性物质、隔离膜、电解液、包装材料、导电端子和保护电路等。由于锂元素具有较高活性,易氧化和还原,可实现电能和化学能相互转换。因此,锂元素是做电池正极的优选材料。目前,正极材料包括活性成分(钴酸锂(LCO)、三元(NCM)、锰酸锂(LMO)和磷酸铁锂(LFP)等)、集流体(铝箔)、导电剂(导电碳黑)和粘结剂等;负极材料包括活性物质(石墨、硬碳、嵌锂合金等)、集流体(铜箔)、导电剂(导电碳黑)和粘结剂等;隔离膜主要有PE或PP或PP/PE/PP膜等;电解液主要有锂盐溶、溶剂(主要是碳酸酯类)和添加剂组成;包装材料主要有钢壳、铝壳和软包铝塑膜等;电池的导电端子主要是Al和Ni片。那从电芯材料方面在快充技术方面又是如何发展呢?电池要实现快速充电功能,解决的方向就是如何实现锂离子在电池中快速的嵌入和嵌出,需要降低充放电过程中的阻力,从而提高锂离子的嵌出和嵌入速度。图4 锂离子电池材料组成下面将从电芯几个主材、电芯设计和保护板等方面进行阐述。正极材料图5锂离子电池正极材料形貌常用正极材料具有本征导电率低等问题,那为了实现快充功能,需要选用小颗粒具有优良的导电性能的材料(导电剂包覆钴酸锂等),缩短充放电过程中锂离子的迁移路径,提高迁移速率,从而提高快充性能,对钴酸锂进行包覆掺杂,可提高大电流循环下的电池安全性能等。负极材料图6 锂离子电池负极迁移模型负极材料相对正极材料具有较高的电导率,可以充分发挥快充性能。充电时锂离子的负极石墨选用具有导电剂包覆、颗粒小,石墨化度低的石墨,从而减少锂离子在嵌入和嵌出过程中的阻力与极化,快速充电,加快锂离子的嵌入,降低锂离子的沉积而造成的循环恶化。电解液表1 电解液常用溶剂参数电解液是电池的重要组成部分,解决快速充电时锂离子在电解液中的迁移不会产生阻碍,应选择介电常数较高溶剂。同时添加部分成膜添加剂及提高电导率的添加剂。简言之:降低界面阻抗,低粘度,高电导率。隔离膜表2 隔离膜常见工艺和基本性能快速充电需要满足锂离子快速的从正极嵌出快速的嵌入负极,隔离膜是锂离子电池的重要组成部分,是用于隔开正负极极片的微孔膜, 具有纳米级微孔的高分子功能材料。商品化的锂离子电池隔膜产品多为聚烯烃微孔膜,包括聚乙烯PE单层膜、聚丙烯PP单层膜以及由PP和PE复合的PP/PE/PP多层微孔膜。目前快充隔膜一般都采取用湿法涂陶瓷或涂胶处理多孔和大孔隔膜,一方面防止锂离子电池内部短路风险,另一方面又需要保证锂离子在充放电过程中的有效迁移。电芯设计图7 正极和负极极片设计快速充电主要是保证锂离子快速的从正极嵌出并快速的嵌入负极,不能造成锂离子的沉积,故设计时要尽量降低极片的厚度,换言之,需要降低极片的涂膜重量。减少锂离子迁移的路径,保证锂离子的快速嵌入。同时提高正负极片的离子导电能力和电子导电能力。保护电路为降低充放电时保护板的功耗,须一定程度上降低保护板内阻,采用两个MOSFET或多MOSFET结构设计。多方面保护电池在使用滥用而导致的失

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