锂离子电池最大充电电流与温度、SoC等因素的关系

随着各国相继推出燃油车禁售时间表，近日工业和信息化副部长辛国斌在2017中国汽车产业发展（泰达）国际论坛上表示“全球产业生态正在重构，许多国家纷纷调整发展战略，在新能源、智能互联网产业加快布局。目前我国工信部也启动了相关研究，制定停止生产销售传统能源汽车时间表。”

相比于传统的燃油车，新能源汽车不产生任何尾气排放，在环保上具有天然优势，但是新能源汽车在使用的便捷性上仍然有待提高。首先是充电桩的数量不足，导致充电困难。其次充电时间较长，导致电动汽车不适合长途旅行。前者可以通过基础设施等发展得到解决，后者则需要锂离子电池技术的进步才能克服。

我们知道相比于快速放电性能，锂离子电池在快速充电方面还有很大的差距，这其中的主要原因是在Li+在电解液中是以溶剂化的状态存在的，在扩散通过SEI膜并嵌入到石墨的内部时，Li+需要首先进行去溶剂化过程，而这一过程是需要消耗能量的，这就在SEI／电解液界面处形成了一道无形的势垒，阻碍Li+的快速扩散和嵌入道石墨负极内部。而放电过程则正好相反，Li+扩散进入到电解液中，发生溶剂化，并不需要消耗能量，因此扩散锂离子电池的放电速度要远远高于充电速度【1】。

为了实现电动汽车快速充电而不对锂离子电池的电性能造成损害，就需要对动力电池可接受的最大充电电流进行研究。过大的电流快速充电常见的后果是金属锂在负极析出，特别是在低温下，石墨负极的动力学条件变差，更容易导致金属锂在石墨负极的表面析出【2】。

锂离子电池正负极材料充电过程中一般都会有一定的体积膨胀，放电的过程，则会发生体积收缩，但是当负极析出金属锂时，特别是当部分的金属锂为不可逆析出时，则锂离子电池的体积也会发生不可逆的膨胀，因此可以通过测量电池厚度变化对负极金属锂析出的行为进行判断。德国戴姆勒公司的研发部门近日通过测量锂离子电池在充电过程中的厚度变化，研究了离子电池最大充电电流与充电量、SoC和环境温度之间的关系。

关于锂离子电池厚度的研究，采用的测试方法的精度一般在1um左右，而在戴姆勒公司的研究中，F.Grimsmann等则使用了精度高于10nm的测试工具对充电过程中锂离子电池厚度变化进行了研究。借助于如此之高的精度，研究者们可以对极小的充电量下锂离子电池的厚度变化进行测量，这一点在电动汽车的制动过程中的能量回收来说具有很大的意义。

实验中采用的电池为能量型的20Ah方形NMC/石墨锂离子电池，实验在控温箱中进行，实验温度分别控制在0，10和25℃，这都是电动汽车常见的使用温度，实验的电池的SoC分别为12.5%、50%和75%，基本上覆盖了动力电池的使用范围。下图为SoC为12.5%，温度10℃，充电量为1.25%时电池在不同的充放电倍率下，电池厚度变化的信息。从图上可以看到，在小电流时，在锂离子电池完成放电时，电池的厚度还能够回到初始值，但是当充电电流达到4C以上时，电池的厚度就无法恢复到初始厚度，而这部分增加的厚度就是因为金属锂在负极表面析出造成的，并且电流越大，析出的金属锂越多，锂离子电池厚度增加的也就越多。所以此时，保证电池不析出金属锂的电流就在3C-4C之间。

下图为SoC为12.5%的电池，不同的充电量下（1.25%、2.5%、5%和87.5%），最大电流与环境温度的关系，从图上可以看到，充电量越多，则最大充电电流越小，温度越低，充电电流越小。同时我们注意到，虽然四条曲线虽然电流差异很大，但是几条曲线的斜率基本上是一致的。

下图为SoC为12.5%的电池，在不同的温度下，最大充电电流与充电量之间的关系，从图上可以注意到，充电量越小，则最大充电电流越大，温度越高，最大充电电流越大。

下图为SoC为12.5%的电池，在温度为10℃的条件下，最大充电电流与充电电量之间的关系，可以看到，此时充电电量与最大充电电流之间几乎是呈现线性相关的关系的，关系式如下所示，其中a=4.3。这意味着小充电电量，可以采用更大的充电电流，例如当充电电量为0.1%时，对于SoC为12.5%，温度为10℃的电池，最大充电电流可达13.7C。

下图为25℃，不同的充电电量下（1.25%、2.5%和5%），最大充电电流与电池SoC之间的关系，从图上可以看到，随着电池SoC状态的增加，锂离子电池的最大充电电流也在降低。

从上述分析中可以看到，电池的SoC状态，环境温度、充电电量等都对锂离子电池的最大充电电流有着较大的影响，环境温度越高、充电量越小、电池的SoC状态越低，则可以接受的充电电流越大，反之则越小。因此在锂离子电池充电控制过程中需要对这些参数进行精确测量，从而对最大充电电流进行控制，避免电流过大对锂离子电池造成不可逆的伤害。