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锂电池快速充电技术综述：多尺度挑战与解决方案
作者及机构
该综述由跨国研究团队共同完成，包括Anna Tomaszewska（Imperial College London）、Zhengyu Chu（Tsinghua University）、Xuning Feng（Tsinghua University）等21位学者，涉及Imperial College London、Tsinghua University、Shell Global Solutions等多家高校与企业。论文发表于eTransportation期刊（2019年8月），DOI: 10.1016/j.etran.2019.100011。
主题
本文系统回顾了锂离子电池（Lithium-ion Battery, LIB）快速充电（Fast Charging）的技术瓶颈、老化机制及解决方案，聚焦材料、电化学、热管理、充电协议等多尺度问题，旨在为电动汽车（Electric Vehicle, EV）快充技术的优化提供理论支撑。
主要观点与论据
1. 快充的速率限制因素与电化学机制
快速充电的核心限制源于锂离子传输动力学和电极界面反应的平衡。重点问题包括：
- 阳极析锂（Lithium Plating）：高电流或低温条件下，石墨阳极电位可能低于Li/Li⁺参考电位，导致金属锂沉积而非嵌入，引发容量衰减和安全隐患。实验证据显示，即使25°C下1C充电也可能析锂，而低温（如-10°C）会显著加剧风险（如Nissan Leaf在-10°C时充电时间延长至90分钟）。
- 电解质传质限制：厚电极中锂盐局部耗尽（如靠近集流体处）会导致电流密度分布不均，3D显微成像证实了枝晶（Dendrite）的形成与电解质浓度梯度的直接关联。
- 热效应：快充时焦耳热（Joule Heating）与熵热（Entropic Heat）叠加，圆柱电池内部温度可比表面高15°C（图3），而方形电池极耳附近温差显著（图4-5）。
2. 快充引发的降解机制
2.1 热老化
- SEI（Solid Electrolyte Interphase）生长：高温（>45°C）加速SEI分解（如Li₂CO₃溶解），导致阻抗上升；低温（°C）则通过析锂加剧容量衰减。
- 热失控（Thermal Runaway）：快充可能降低热失控触发温度，如NCA/石墨电池在0°C老化后热失控起始温度比45°C老化样本低20°C。
2.2 机械退化
- 电极颗粒断裂：高电流下Li⁺浓度梯度引发应力（如NMC811正极在3C充电时裂纹扩展），扫描电镜（SEM）显示二次颗粒因范德华力弱更易破碎。
- 集流体-电极分离：如PVDF粘结的LiNi₀.₅Mn₁.₅O₄正极在60°C循环后出现铝集流体脱层（图5）。
2.3 析锂检测技术
- 非破坏性方法：差分电压分析（DVA）和增量容量分析（ICA）可通过充放电曲线平台识别锂剥离信号（图7）；非线性频率响应分析（NFRA）通过高阶谐波响应量化析锂程度（图6c）。
- 模型预测：改进的伪二维模型（P2D）引入析锂副反应（Arora模型），误差%（如-25°C下1.5C充电时析锂量占2%总电荷）。
3. 多尺度设计策略
3.1 材料优化
- 阳极替代材料：如Li₄Ti₅O₁₂（LTO）避免析锂但能量密度低；石墨改性（如Al₂O₃涂层）可提升高倍率容量（337 mAh/g@4C）。
- 电解质添加剂：高浓度LiFSI-DME电解液使Cu/Li电池在4 mA/cm²下循环41,000次（效率98.4%）。
3.2 充电协议设计
- 多阶恒流（MCC）：分阶段降低电流可减少析锂，实验证明比CC-CV延长寿命83%@4,200次循环（LFP电池）。
- 脉冲充电：通过弛豫降低极化，蒙特卡洛模拟表明可抑制枝晶生长；正弦纹波电流（SRC）协议比1C CC-CV减少20%温升。
3.3 热管理
- 低温预热：建议在-20°C下先加热至10°C再快充，以避免析锂。
- 均温设计：多极耳（如Porsche Taycan的800V系统）和相变材料（PCM）可降低电池组温差。
4. 系统级挑战
- Pack不一致性：如Nissan Leaf电池组在2C快充时容量衰减速度比单电池快30%，源于单体间电流失衡（图3）。
- 高功率充电桩限制：350 kW充电需匹配800V高压系统，而当前多数EV仅支持400V（如BMW i3）。
论文价值与意义
- 学术价值：首次整合了从原子尺度（如Li⁺扩散动力学）到系统级（如Pack热管理）的快充研究成果，揭示了多尺度耦合效应。
- 工业指导：提出材料-协议-热管理的协同优化路径，如石墨阳极与MCC协议的组合可平衡速度与寿命。
- 技术前瞻：指出未来需开发原位析锂检测技术和模型驱动的充电优化算法，以实现全工况快充。
亮点
- 系统性梳理了快充降解机制的实验与模型证据（如析锂的电位判据、机械老化的3D成像）。
- 提出了实用技术路线图，如通过电极微结构设计（如垂直排列石墨片）提升离子传输速率。
- 强调低温快充的独特挑战，填补了此前综述的空白（如-25°C下电解质电导率下降对 charger 效率的影响）。
（全文共计约2500字）