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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

2016-12-9 16:05| 发布者: lfcx| 查看: 920| 评论: 0

摘要: 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“Supe ...

    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“。


  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。


   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): 
(1) 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。 
(2) 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

  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。


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。
(1) 正极材料

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。
(2) 负极材料

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。
(3) 电解液
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。
 (4) 隔离膜
   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。

(5) 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。 (6) 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

滥用而导致的失效。

   总而言之,需要在快充电池方面有所突破,避免普通化学体系在快充时在负极会出现

副产物,影响电池的循环、安全性和可靠性等,需要在电芯材料、材料设计及工艺设计

和保护装置等多方面综合考虑,进一步而言就是需要在保证不影响电池可靠性等,通过

选用高导电小颗粒的正负极材料、高电导率电解液、多孔隔离膜、优化电芯极片的涂布

与结构和多方面保护措施等,从而降低锂离子在充放电过程中阻力和缩短锂离子的路径

等。相信在不久的将来,电池技术的革新会引发手机乃至整个电子产品行业的变革,特

别在电子产品有限的空间里,使用快充技术还是非常有必要,而当电池技术有了突破再

配合已经成熟的快充技术,将迅速推动电子产品的快速发展。



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