4680锂离子电池的极快充电性能：热电化学分析揭示的化学效应

《Journal of Energy Storage》：Extreme fast charging performance of 4680 lithium-ion batteries: Thermo-electrochemical analysis of chemistry effects

研究构建电化学-热-空气流动耦合模型，分析4680电池在极端快充（15分钟内充至80%）下不同正极材料（NMC111、LMO、NCA）的锂枝晶生成、温度梯度及热管理效能，揭示温度调控对锂沉积抑制的机理，提出基于正极材料优化与强制对流冷却的协同解决方案。

　　在当前全球对可持续交通解决方案日益增长的需求下，电动汽车（EVs）正逐步与传统内燃机汽车（ICEs）竞争。为了提升电动汽车的市场渗透率，实现快速充电乃至极端快速充电（XFC）成为关键。XFC被定义为在15分钟内将电池充至80%的荷电状态（SoC），这要求电池在高电流充电过程中保持良好的性能，同时避免材料的显著退化。然而，实现这一目标面临诸多挑战，其中最关键的问题包括高极化、电池温度的升高、显著的温度梯度以及锂金属沉积的风险。

锂离子电池（LIBs）由于其较高的能量密度和更宽的温度适应范围，已成为电动汽车的主要动力来源。然而，随着能量密度的提升和XFC能力的增强，LIBs内部的热生成率也随之增加，给热管理带来了更高的复杂性。为了应对这些挑战，研究人员不断探索新的材料和结构，以提高电池的性能和安全性。例如，4680圆柱形电池因其更大的直径和高度，相比传统的18,650和21,700格式电池，提供了更高的能量密度，从而延长了电动汽车的行驶里程。然而，这种更大的尺寸也带来了热分布不均和快速散热困难的问题。

在本研究中，科学家们采用了一种创新的电化学-热-气流模型，以分析不同电极材料对4680圆柱形锂离子电池在XFC条件下的影响。该模型首次被用于研究空气冷却条件下电池化学成分对性能的作用。模型包括三个主要部分：电化学模型、三维热模型以及湍流气流模型。这些部分共同作用，模拟电池在充电过程中的电化学反应和热行为，同时考虑冷却空气对电池温度分布的影响。

在模型验证过程中，研究团队首先将模型应用于18,650 SONY VTC6电池，该电池的实验数据在文献中已有报道。通过对比模型预测结果与实验数据，确保了模型的准确性。随后，研究团队对三种不同的正极材料进行了模拟和比较：Li?.?(Ni?.??Co?.??Mn?.??)?.?O?（NMC111）、LiMn?O?（LMO）和LiNi?.?Co?.??Al?.??O?（NCA）。这三种材料在电池化学领域中具有代表性，分别代表了不同的性能特点。

研究结果表明，锂金属沉积的风险可以通过在较高温度下进行充电来缓解。高温度不仅能够增强锂离子的嵌入反应动力学，还能改善锂离子在电极材料中的扩散过程。此外，LMO电池在热稳定性方面优于NMC111电池，而NMC111电池在电化学性能上表现更佳。相比之下，NCA电池虽然表现出最佳的热响应，但其电化学性能较差，主要是由于较高的极化现象。为了进一步优化NCA电池的性能，研究团队还进行了参数研究，通过调整NCA正极材料的活性颗粒尺寸，发现减小颗粒尺寸能够显著降低浓度极化，从而改善电池的充电效率。

在电池热管理方面，传统的集中热容模型仅适用于Biot数小于0.1的情况，但在极端快速充电条件下，由于温度梯度较大，这种简化模型不再适用。因此，研究团队采用了一种更复杂的三维热模型，以更准确地模拟电池内部的温度分布。同时，为了考虑冷却空气对电池的影响，还引入了湍流气流模型。这种综合模型能够更全面地反映电池在充电过程中的热行为，为设计高效的电池热管理系统提供了理论支持。

电池化学成分对XFC性能的影响是一个备受关注的研究领域。例如，Tourani等人在文献中比较了LFP（LiFePO?）和LMO作为正极材料在LIB中的表现。他们的研究采用了一种结合1D电化学模型和2D热模型的综合方法，模拟了不同充放电速率下的电池行为。结果显示，LMO电池在模型预测的准确性方面优于LFP电池。随后，Peng和Jiang进一步研究了不同正极材料在极端热滥用条件下的热稳定性和热安全性，发现LMO电池在热稳定性方面表现最佳，而LFP电池在热安全性方面更具优势。

此外，Zheng等人在文献中比较了LCO、LMO和LFP电池在不同充放电速率下的表现，发现LCO电池在温度上升方面最为显著，而LFP电池在热稳定性方面表现最佳。这些研究为电池化学成分的选择提供了重要参考，同时也揭示了不同材料在极端快速充电条件下的性能差异。然而，尽管已有大量研究关注电池化学成分对性能的影响，目前仍缺乏对4680圆柱形电池在XFC条件下的系统分析，特别是对温度分布不均和热管理策略的深入探讨。

因此，本研究的意义在于填补这一空白。通过建立一个综合的电化学-热-气流模型，研究团队能够更全面地评估不同电极材料对4680圆柱形电池在XFC条件下的影响。该模型不仅能够预测电池的电化学性能，如SoC和电压变化，还能模拟电池在充电过程中的热行为，包括温度分布和热生成率。同时，模型还考虑了冷却空气对电池的影响，揭示了不同材料在热管理方面的表现差异。

在模型的应用过程中，研究团队首先验证了NCA正极材料的性能，随后将模型用于LMO和NMC111正极材料的模拟，以便进行对比分析。选择这三种材料的主要原因是它们具有相同的电压范围（2.5–4.2 V），这使得不同材料之间的性能比较更加直观和有意义。此外，研究团队还分析了不同充放电速率下电池的热行为，发现温度变化与充放电速率密切相关。在相同的充放电速率下，LFP电池表现出最佳的热稳定性，而NCA电池在热响应方面表现最佳。

这些研究结果不仅为4680圆柱形电池的设计和优化提供了重要依据，还对电动汽车的热管理策略提出了新的思路。在未来的电动汽车发展中，如何在高电流充电条件下实现电池的高效运行和安全性，将成为技术突破的关键。因此，深入研究电池化学成分对XFC性能的影响，对于推动电动汽车技术的进步具有重要意义。

电池的热管理不仅关系到其在极端快速充电条件下的性能，还直接影响电池的寿命和安全性。锂金属沉积不仅会降低电池的容量和效率，还可能引发热失控，从而导致电池故障甚至安全事故。因此，如何在充电过程中有效控制温度，避免锂金属沉积，成为电池技术研究的重要方向。研究团队通过引入湍流气流模型，分析了不同材料在充电过程中温度分布不均的问题，并探讨了如何通过优化冷却策略来改善这一状况。

此外，研究团队还通过调整NCA正极材料的活性颗粒尺寸，发现减小颗粒尺寸能够显著降低浓度极化，从而改善电池的充电效率。这一发现为优化电池结构提供了新的思路，同时也为提高电池的电化学性能提供了理论支持。在未来的电池设计中，如何在不牺牲电池性能的前提下，实现更均匀的热分布和更高效的冷却，将成为技术发展的重点。

总的来说，本研究通过建立一个综合的电化学-热-气流模型，深入分析了不同电极材料对4680圆柱形锂离子电池在极端快速充电条件下的影响。研究结果不仅揭示了不同材料在热稳定性和电化学性能方面的差异，还为优化电池热管理策略提供了重要参考。这些发现对于推动电动汽车技术的发展，提高电池的性能和安全性，具有重要的理论和实践意义。