电池材料技术的革新推动快充技术发展

　　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，宣告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。大会上，OPPO展示了一段视频：约10分钟的时间内， “Super VOOC超级闪充”便将2500mAh容量电池的手机从5%充到100%，广大手机用户直呼“黑科技”，“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（CCPre-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。同时，还需要对电池的原材料（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，我们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。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；电解液主要由锂盐溶、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。

　　那么，电芯材料在快充技术方面又如何发展呢？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，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

　　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

　　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效。

　　总而言之，如果需要在快充电池方面有所突破，避免普通化学体系在快充过程中在负极出现副产物，影响电池的循环、安全性和可靠性等，需要结合电芯材料、材料设计及工艺设计和保护装置等多方面进行综合考虑。也就是说，我们需要在保证不影响电池可靠性等因素的基础上，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的阻力、缩短锂离子的路径等。特别在电子产品有限的空间里，使用快充技术显得非常必要，而电池技术的突破配合成熟的快充技术，将迅速推动电子产品的快速发展。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。