电气工程学报, 2024, 19(1): 23-32 doi: 10.11985/2024.01.003

特邀专栏:储能关键装备数字化智能安全管理技术

新能源汽车储能系统快速充电策略研究综述*

金英爱,1,2, 余文宾,1,2, 马纯强,1,2

1.吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室 长春 130022

2.吉林大学汽车工程学院 长春 130022

Review of Research on Fast Charging Strategies for New Energy Vehicle Energy Storage Systems

JIN Yingai,1,2, YU Wenbin,1,2, MA Chunqiang,1,2

1. State Key Laboratory of Automotive Simulation and Control, Jilin University, Changchun 130022

2. College of Automotive Engineering, Jilin University, Changchun 130022

通讯作者: 马纯强，男，1971年生，高级工程师。主要研究方向为新能源综合利用。E-mail：macq@jlu.edu.cn

收稿日期: 2023-10-8   修回日期: 2023-11-20  

基金资助: 英国皇家工程院牛顿基金资助项目(UK-CIAPP\201)

Received: 2023-10-8   Revised: 2023-11-20  

作者简介 About authors

金英爱，女，1967年生，教授，博士研究生导师。主要研究方向为新能源综合利用与储能技术。E-mail：jinya@jlu.edu.cn;

余文宾，男，2000年生，硕士研究生。主要研究方向为新能源汽车储能技术。E-mail：yuwb21@mails.jlu.edu.cn

摘要

电动汽车在近十年得到大力发展与推广，但续航里程一直限制着电动汽车的进一步发展。车载储能系统快速充电技术能够有效缓解现阶段电动汽车用户续航里程焦虑，同时提高车辆安全性。电动汽车快速充电技术包括基于经验的充电策略和基于优化的充电策略。本文首先总结了各种传统充电方法的优点和缺点，其次根据应用场景优化目标的不同，归纳了不同优化目标的快充策略的应用，此外总结了电池内部的电极材料、电解质和电极/电解质界面(EEI)对快充性能的影响，并归纳了不同材料的改良措施，并对该领域未来发展方向进行了展望。

关键词： 电动汽车; 充电策略; 锂电池; 电极材料; 快充性能

Abstract

Electric vehicles have been vigorously developed and promoted in the past decade, but the range has been limiting the further development of electric vehicles. The fast charging technology of on-board energy storage system is an effective and easy-to-implement way to alleviate the short range of electric vehicles as well as to improve the safety of the whole vehicle at the present stage, and the current fast charging technology of electric vehicles includes empirical charging strategy based on experience and optimization-based charging strategy. Firstly the advantages and shortcomings of the various traditional charging methods are summarized, and then according to the application scenarios of the optimization objective, the different optimization objectives for the application of fast charging strategies are summarized. In addition, the influence of electrode materials, electrolyte and electrode/ electrolyte interface(EEI) inside the battery on the fast charging performance is summarized, and the improvement measures of different materials are summarized, and the future development direction of this field is prospected.

Keywords： Electric vehicle; charging strategies; lithium battery; electrode material; fast charging performance

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金英爱, 余文宾, 马纯强. 新能源汽车储能系统快速充电策略研究综述*[J]. 电气工程学报, 2024, 19(1): 23-32 doi:10.11985/2024.01.003

JIN Yingai, YU Wenbin, MA Chunqiang. Review of Research on Fast Charging Strategies for New Energy Vehicle Energy Storage Systems[J]. Chinese Journal of Electrical Engineering, 2024, 19(1): 23-32 doi:10.11985/2024.01.003

1 引言

为了应对我国严峻的能源短缺和环境污染问题，燃油汽车正逐渐退出历史舞台，而电动汽车近年来由于零污染和高能效比的优势得到了迅速发展[1-2]。目前电动汽车的动力电池包括锂电池、镍氢电池、燃料电池等，锂电池有着能量密度高、轻量化且寿命较长的优点，在电动汽车储能系统的应用相对广泛。目前常见不同电池类型对比如表1所示。然而，作为电动汽车的储能系统，锂电池由于现阶段快充技术发展的限制，充电时间较长且续航里程不足以满足用户需求，严重制约了电动汽车市场的进一步发展[3]。

表1   常见电池特性对比

电池类型优点缺点用途
锂电池高能量密度、轻量化、较长寿命成本高、充电时间慢电动汽车、移动设备
镍氢电池较低成本、相对环保能量密度较低、寿命较短便携设备、混合动力汽车
燃料电池快速充电，长续航、零排放基础设施不足、制造成本高需要长续航能力和较快充电的电动汽车
超级电容器快速充放电、长寿命、高功率密度、环保低能量密度、高成本、自放电需要高功率、短周期充放电和长寿命的应用

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在动力电池充电过程中，不仅需要提高充电速度同时要保障充电安全。然而，两者之间往往存在一定的矛盾，传统充电策略往往无法兼顾两者。传统充电策略通常依靠经验知识，通过提升充电倍率来缩短充电时间，但该方法过于依靠经验且未能深入掌握电池内部机理，不能够精确控制充放电过程，在快充过程中也会损伤电池寿命[4]。此外，传统的快速充电方法也无法有效地遵循马斯三定律关于电池可接受最大电流曲线的要求。因此，充电时间长且充电过程中可能出现过充和析气现象的问题仍然存在[5-6]。

为了解决上述充电问题，需要研究充电过程中电池内部反应机理，兼顾充电快速性和安全性，同时保证电池寿命健康，延长电池循环寿命。随着控制技术的发展，智能充电法应运而生。该方法通过采集电池电压、电流以及温度等数据，并结合先进的算法进行分析和调节，使充电电流尽可能接近电池可接受曲线。这样，电池在整个充电过程中始终处于最佳充电状态，从而延长了电池的寿命[7⇓-9]。智能充电法不仅可以提高充电效率，减少充电时间，还能够有效控制充电过程中的安全性，避免过充和其他潜在问题。

此外，电池材料也对电池快充性能有较大影响，对于锂离子电池，电池的快充性能主要取决于负极材料，目前常见的负极材料有石墨、Li4Ti5O12、硬碳和碳纳米管/碳钎维等，但由于自身特性的原因会阻碍Li+的扩散，因此对这些材料改性十分有必要。目前，快充型锂离子电池的制备技术主要包括降低负极极化，通过改性提高Li+在负极的迁移率、使用纳米级结构设计和表面涂层促进正极快速电化学反应、提高电解液/隔膜离子导电率等几个方面。

2 锂离子电池快速充电策略

2.1 基于经验的充电策略

传统充电策略主要包括恒流充电、恒压充电、恒流恒压充电和多级恒流充电等，其中应用最为广泛的为恒流恒压充电法和多级恒流充电法[10]。不同传统充电策略优缺点如表2所示。

表2   不同传统充电策略优缺点

充电方式优点缺点
恒流充电高效快速充电，控制简单初期电流较小导致充电时间长、中期电流大能耗高和充电效率低下，后期容易过充，影响电池寿命
恒压充电充电过程更接近电池可接受曲线，控制简单，成本低充电时间长，充电初期电流较大，影响电池使用寿命
恒流恒压充电结合了恒流充电和恒压充电的优点，结构简单，成本较低未能消除极化现象，影响充电效果
脉冲充电充电速度快，温度变化小，对电池寿命影响小需要一个有限流功能的电源，增加成本
变电压间歇充电法加快充电过程，缩短充电时间电路复杂，造价高，一般在大功率
Reflex快速充电法可以很大程度上解决极化现象，加快充电速度，充电速度块，电池温度变化小反向充电影响电池寿命
智能充电法充电效率高，电池寿命长控制策略复杂，成本较高

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恒流恒压充电法(CC-CV)控制简单，成本较低，因此应用较为广泛[10]。充电过程如图1所示，该方法分为恒流和恒压充电阶段：恒流阶段以恒定电流值充电，当电池端电压达到充电截止电压时，保持电压不变对电池进行充电，当充电电流逐渐降到某个数值时，充电结束。恒流恒压充电法同时避免了恒流充电和恒压充电的缺点，如图1所示[11]。然而，恒流恒压充电法未能抑制充电的极化现象[12]。其次恒流恒压充电法在初始阶段电流较小，未能达到锂电池能够承受的最大充电电流，导致充电时间变长并且容易导致锂副反应发生，影响电池寿命。

图1

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图1   恒流恒压充电法


另一种常见的传统充电策略是多级恒流充电法(Multi-stage constant current)[13]，如图2所示。恒流充电方法容易使充电电流超过电池能承受极限电流，导致电池发热损伤电池寿命，因此一些学者提出了多阶段恒流充电法。多级恒流充电法将充电过程划分为多个阶段，每个阶段用恒定电流充电，充电电流逐级递减。划分阶段的依据主要基于荷电状态值(State of charge，SOC)或电池的充电截止电压等参数。多级恒流充电的充电过程如图2所示。通过这种方式，可以避免长时间高电流对电池造成的损伤，提高充电过程的安全性和稳定性。多级恒流充电法相对于单一恒流充电法具有更好的充电控制能力，可以更加精确地控制充电过程中的电流变化，并减少对电池的损伤。通过逐级递减的电流充电，可以更好地保障电池的安全性和寿命。

图2

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图2   多级恒流充电法


有研究表明，在充电过程中调整电流值而并非采用恒定电流值进行充电，可以降低电池温升、充电损耗并延长电池寿命[14⇓-16]。LUO等[14]基于田口试验方法，采用多级恒流充电法(图2)，该策略能够在40 min内充入75%电量，电池循环寿命比采用传统充电法延长60%。KHAN等[15]依靠经验公式计算开发五段式MCC充电策略，结果表明，五段式MCC充电策略充电时间相较于传统充电策略缩短了12%，充电效率提高了0.54%。LI等[16]提出了一种自适应多级恒流恒压充电法(MC-CV)，结果表明，多级恒流恒压充电在电池老化损耗方面优于0.5C的CCCV充电策略3.60%，并且充电时间减少了37%。姚雷等[17]提出一种基于恒流、正负脉冲电流分阶段快速充电优化方法，在控制温升量的同时有效缩短锂电池的充电时间。

2.2 基于模型的充电策略

基于经验的充电策略未深入研究电池内部反应机理，因此无法精确控制电池内部充电过程。因此，为深入了解电池内部反应机理，有学者通过建立电池模型设计充电策略，深入研究充电过程中电池反应机理，并用智能算法进行精确优化控制，充电效率更高且安全性更好。目前这方面的研究主要包括基于等效电路模型的充电策略和基于电化学模型的充电策略等。

2.2.1 基于等效电路模型的充电策略

等效电路模型较为简单，可以表征内部电压、电流等物理量。锂电池在充放电中端电压在电流作用下偏离其平衡电极电势的现象，称为极化现象[17]。极化现象可分为欧姆极化、浓差极化和正电化学极化，极化现象不仅会产生析锂现象，增大电池内阻而影响电池寿命，并且容易使电池发热，严重时会引发电池热失控，从而使电池起火、爆炸。基于等效电路模型可以更好地研究电池极化现象并抑制极化效应。JIANG等[18]通过建立等效电路模型研究电池内部极化特性，研究了不同充电倍率下动力锂电池的极化电压特性，证明了极化特性和充电速率之间存在近似线性关系，制定了可接受充电电流曲线，根据该曲线，仅用33 min即可将电池由初始SOC20%充至80%，且平均极化电压和最高温升大致相当于0.5C-CCCV充电方式。ZHANG等[19]提出了一种基于极化的锂离子电池充电时间和温升优化策略，采用遗传算法寻找最佳充电电流轨迹，结果表明与1/3C恒流恒压充电方法相比，充电时间减少近50%，且温升几乎相同，并且在700次循环后具有与恒流恒压充电法相似的容量保持比，实现充电速度与寿命之间良好的平衡。

2.2.2 基于电化学模型的充电策略

有学者深入了解电池内部反应机理，建立电化学模型，通过控制粒子浓度和电极电位等变量来精确控制充放电过程，提高充电速度和循环寿命。1993年，DOYLE等[20]提出了多孔电极理论电化学模型，该模型展示了系统充放电行为的模拟结果，建立了评估固体基质中扩散和电解质中传输重要性的标准。基于多孔电极理论电化学模型的研究，CHU 等[21]提出了一种基于无损模型的新型快速充电算法，充电算法增强充电电流，以将观察到的阳极电位限制在预设阈值电位附近，保护电池免受锂沉积的影响，结果显示电池可以在52 min内充入96.8%的电量。LIU等[22]提出了一种大容量锂电池快充策略，通过在电池中植入可靠的参比电极，在充电过程中提供阳极电位信号，严格限制充电电流以将阳极电位和温度保持在安全区域内，结果表明与制造商的快速充电策略相比，使用所提策略实现了两倍的充电速度，电池的衰减率与100次循环后缓慢充电的电池相似，而负极上没有检测到镀锂。SONG等[23]基于具有扩展卡尔曼滤波的降阶电化学模型，结合负脉冲和负极电位、副反应速率和截止电压等不同限制，提出了一种负脉冲快充法(Negative pulse fast charging，NPFC)方法。结果表明，负脉冲充电法高达80%的充电时间与3C恒流恒压充电法在生命周期初期充电时间相当，在中期后更快，同时容量损失与2C恒流恒压充电法相当。YIN等[24]同样基于P2D模型，提出一种基于还原电化学模型的新型快速充电方法，通过考虑表面离子浓度、充电状态、截止电压和副反应速率等不同限制因素，设计了一种电池寿命初期的充电方法，试验结果表明，与普通的CCCV充电相比，充电时间可以减少40%以上，容量退化率相当，与普通的CCCV充电相比最多可以进行100次循环。ZOU等[25]提出了一种由电化学系统建模和先进控制理论综合而来的健康感知快速充电方法，该算法由计算高效的物理模型和线性时变(LTV)MPC组成，与两种广泛使用的恒流恒压和多级恒流充电法相比，该策略能将充电效率提升22%以上，而求解非线性优化计算所需的时间小于10 ms，因此可以用于在线优化充电策略。

综上所述，基于锂离子电池内部机理模型的研究为制定优化充电策略提供了理论基础。通过控制关键变量来降低能耗、减小充电过程对电池寿命的损伤，可以实现更高效、可靠的充电过程。然而，这些策略的实施需要准确的电池模型和复杂的控制算法，因此在实际应用中仍需要考虑成本效益和可行性。

2.3 基于优化的充电策略

传统充电策略和基于模型的充电策略中过于依靠经验知识，无法使电池处在最佳充电状态，且随着用户需求和使用场景的不断增加和复杂化，随着目前控制技术的发展，智能充电法应运而生。智能充电法可以使电池在整个充电过程中始终处于最佳充电状态，延长电池寿命，有效控制充电过程中的安全性，避免过充和其他潜在的问题。WANG等[26]基于粒子群优化算法，并结合模糊推导适应度评估器，以找到在最短充电时间内提供最大放电容量的最优多级充电模式，试验结果表明该充电策略能在51 min内将电池充电至88%以上，与恒流恒压充电法相比，电池的最短充电时间和充电效率分别提高了56.8%和0.4%。ABDOLLAHI等[27]将充电时间、能量损失和温升指数作为优化目标，将三者的加权和作为目标函数进行多目标优化，来求解最小化充电时间和能量损失的加权和问题。OUYANG等[28]基于电池组领导-追随者框架，推导了一种最优的充电控制策略，通过在线电池模型偏置补偿，有效抑制违反安全相关充电约束的行为，结果表明，该充电策略能够显著降低充电器控制器的计算负担，同时提高鲁棒性以抑制电池模型偏差造成的负面影响。LIU等[29]考虑了三个重要但相互竞争的充电目标包括电池健康、充电时间和能量转换效率，建立电热模型和老化模型，基于生物地理学的多目标优化算法，同时兼顾了三个充电目标。当充电过程需要考虑充电约束时，OUYANG等[30]提出一种快速充电控制方法，通过考虑电池组的充电时间、能量损耗和充电约束，制定约束优化问题，协调和优化充电器提供的电流和均衡电流，结果表明该充电方法加快了充电速度并减少了充电的能量损耗。

锂电池快充优化策略在不同的应用场景有着不同的控制目标，这往往需要结合多个不同充电策略，比如电动汽车和手机需要同时兼顾充电快速性和电池寿命。当前，随着快充技术的发展和充电场景的复杂化，锂电池快速充电优化技术通常要同时优化两种或更多目标。在文献[31]中，针对大电流快速充电容易在电池内部引起严重极化，影响电池的性能和寿命的问题，提出了一种同时兼顾充电时间和电池寿命退化的优化方法。该方法基于LiMn2O4/石墨电池的电化学-热耦合瞬态计算模型，充分考虑了充电中电池内部电化学过程和内热源实时变化。结果显示，该充电方法比使用传统充电策略时间缩短了 40%，并且延长了电池循环寿命。文献[32]针对电动汽车充电能效低、环境适应性差以及安全性低的问题，以充电时间、充电容量以及充电效率为目标函数，采用粒子群算法进行多目标优化，提升了充电性能的综合表现。在文献[33]中，针对大电流充电引发动力锂电池内部严重发热的问题，基于不同环境温度以充电时间与充电温升作为优化目标，提出一种基于动力电池模型的多阶恒定产热率优化充电策略，试验结果表明该策略相比于传统恒流恒压充电方法在不同温度下的充电温升与充电时间均有所提升。此外，文献[34]基于粒子群优化算法同时优化了充电时间和电池寿命，兼顾了充电快速性和电池寿命。文献[35]以充电速度、能量损失为目标函数进行多目标优化，以找到最佳的充电策略。文献[36]采用领导跟随者框架进行电池组的离线调度和在线闭环调节，以减少充电控制器的计算负担，提高系统的稳健性。最后，文献[37]采用生物地理学的多目标优化算法，同时兼顾了电池寿命、充电速度和能量转换效率。当充电过程需要考虑充电约束时，文献[38]设计了基于二值搜索法和内点法的两层优化策略，以在满足充电约束的前提下提高充电速度并减少充电能量损失。

3 基于理化基础的快速充电方法

目前，尽管充电策略已取得一些重要进展，但在实现锂离子电池的快速充电方面仍存在挑战。充电策略主要通过提高充电倍率以满足快速充电需求。但高倍率充电不仅可能会引发析锂等副反应，增大电池内阻，甚至导致电池内部过热，引发热失控等安全问题，这严重影响了电池充电效率和安全性[39]。因此，为同时兼顾电池充电的快速性和安全性，不仅要优化充电策略，同时还要抑制副反应发生，保障电池性能和安全性。

为了更好地理解锂离子电池内部反应机理，需要深入研究锂离子(Li+)在电池内部的传输过程，锂离子在电池内部的传输过程是影响快充性能的主要因素之一，锂离子的具体传输过程如图3所示。在电极材料方面，Li+在正负极活性材料中的扩散是影响快充性能的关键步骤之一，这与诸多因素相关，包括材料内部离子传输通道、材料颗粒的形状、形态和取向等，尤其是负极更加敏感。电解质方面，传统电解液的氧化还原稳定性较差，在充电中容易受热分解，形成厚实的EEI层，从而降低了Li+的传输速率。此外，传统电解液中的溶剂化结构具有较高的去溶剂化势垒，这严重阻碍了Li+在电解液中的扩散速度，导致快充性能不佳[40]。电解液的结构也对EEI层的组成有着重要影响，从而影响Li+的传输效率[41]。在气温较低时，固相和液相分子受低温影响，传输速率慢，也会严重影响充电效率[39]。此外电池的结构组成材料也对电池快充性能有着重要影响[42]。因此，目前应该着重研究Li+在电池内部的传输扩散动力学，并抑制副反应的发生，从而实现锂离子电池快速充电。

图3

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图3   锂离子电池快充过程中离子传输示意图


3.1 负极的优化

对于负极材料而言，提高锂离子(Li+)在负极体相中的扩散速率，并降低负极与电解液之间的界面动力学势垒是实现快速充电的关键。如果Li+扩散速率较低，那么Li+会逐渐在负极堆积，产生析锂现象和极化效应，这不仅会增大电池内阻，影响充电效率，甚至引发热失控等安全问题。因此，提高Li+传输和扩散效率可以显著提高电池负极的快充性能。

碳基材料表面积大以及特殊的孔隙结构方便Li+扩散，并且导电性优良、稳定性较好，因此被广泛应用于电池的负极材料[43]。其中，石墨是最常见的电池负极材料之一，层间距较小方便Li+可逆地插层和脱层。此外，石墨的电位非常接近锂的氧化还原电位，这使得锂离子电池能够具有较高的能量密度[44]。早在1983年，YAZAMI等[45]将石墨用作锂离子电池的负极材料。然而，石墨也存在一些问题，例如石墨在高电流条件下容易发生极化现象，并且容易使锂沉积在石墨表面产生析锂现象，增大电池内阻，影响充电效率。当锂过度堆积时，可能会使电池短路甚至引发热失控等安全问题。因此，为克服石墨的缺陷，对其进行改性极为重要。

石墨的层间距仅有0.34 nm，虽然方便Li+可逆地插层和脱层，但不利于Li+扩散，可以通过增大石墨层间距提升扩散速率[46]。KIM等[47]通过在温和的条件下氧化天然石墨，然后进行热还原再石墨化，成功将层间距从0.335 9 nm扩大到0.339 0 nm，增大的层间距为离子传输提供了更多的空间，提升了Li+的传输速度。CHENG等[48]介绍了一种多通道结构，石墨表面蚀刻有孔隙，可以通过蚀刻带有孔隙的石墨表面来大大增加锂离子插层/脱层的位点数量，减少Li+扩散距离。结果表明，多通道负极材料表现出更好的充放电能力、循环性和更高的库仑效率。KIM等[49]通过研究证明使用无定形Al2O3对石墨进行表面改性是提高锂离子电池石墨负极材料快充性能的有效方法，结果显示含有1 wt% Al2O3的表面改性石墨即使在4 000 mA/g的高倍率下也能显示出约337.1 mA/g的可逆容量，相当于100 mA/g电流密度下容量的97.2 %。

除石墨之外，常用的负极材料还有Li4Ti5O12、硬碳和碳纳米管/碳钎维等，有学者通过对这些活性材料进行改性，提高了Li+在负极的迁移率。Li4Ti5O12电导率低且Li+扩散缓慢，WANG等[50]成功合成异质水和钛酸锂水合物，将其作为电池的负极，显示出约130 mA·h·g-1的比容量并在35C(在100 s内充满电)维持超过10 000次循环，每个循环的容量衰减仅为0.001%。硬碳具有潜在的高容量和功率能力，有望作为锂离子的替代阳极材料。然而硬碳的低初始库仑效率和由此产生的交叉循环性阻碍了它们的实际应用，SHEN等[51]开发了一种预锂化硬碳，表现出非常高的初始库仑倍率、高功率和稳定的循环性。与当前商用LiCoO和LiFePO4阴极搭配使用时，组装的pHC/LiCoO2和pHC/LiFePO4全电池表现出大于95.0%的高初始库仑效率和近100%的电极活性材料利用率，证实了预锂化硬碳在新一代高容量和高功率锂离子电池中的实际应用价值。针对碳纳米管/碳钎维初始库仑倍率低和稳定性差的材料局限性，YAN等[52]合成了钛合金-青铜/N掺杂石墨烯纳米复合材料，试验结果表明它在10C速率下的放电容量为220.7 mA·h·g-1，1 000次循环后的容量保持率为96%。此外，在100 ℃的超高温条件下，它还能提供101.6 mA·h·g-1的放电容量，这表明它在高功率锂离子电池中具有巨大的应用潜力。

3.2 正极的优化

正极材料对锂电池电化学性能有着重要影响，常用的正极材料包括LiCoO2(LCO)、LiFePO4(LFP)和三元材料(LiNixCoyAlzO2和LiNixCoyMnzO2)。LCO具有较高的比容量(274 mA·h·g-1)和高稳定工作电压(3.7 V)，还具有高电子电导率(10-3 S/cm)和离子电导率(10-7 cm2/s)，因此被广泛用于锂离子电池的正极材料。然而，其在充电至4.2 V(vs Li/Li+)时仅提供约140 mA·h·g-1的可逆容量，严重限制了其快充性能，且成本较高、寿命短[53]。LFP理论比容量高达170 mA·h·g-1，并且工作电压相对温和稳定，因此有着很高的安全性，作为电极材料有着较高的可逆性和稳定性，且原料丰富，因此LFP被广泛用于锂离子电池正极材料。然而，它的离子电导率较低，这限制了其快充性能[54]。三元材料具有高比容量、高电压平台和较好的循环性能，是一种很有前途的快速充电锂离子电池的正极材料，但其安全性有待提高[55]。因此为了提高LCO、LFP和三元材料的高倍率容量和循环稳定性，采用纳米级结构设计和表面涂层可促进快速电化学反应，提高快充性能。

活性材料的尺寸对电化学过程中离子的扩散路径至关重要。电化学过程中离子的扩散路径至关重要。纳米级活性材料可以增加比表面积，减少Li+扩散路径，提高快速充电性能。YAN等[56]通过“水热石化作用”方法在碳布上可控地制造出三维自支撑层状单晶钴酸锂纳米片阵列，然后在380 ℃下进行低温热处理。凭借其独特的三维纳米结构，自支撑钴酸锂纳米片阵列电极可提供大比容、出色的速率能力和长期稳定性。HE等[57]合成了粒径为100 nm的钴酸锂，其Li+的扩散系数约为2.6×10-10 cm2/s，且Li+的扩散系数随着钴酸锂粒径的减小而增大。YI等[58]采用水热法合成了纳米级LiNi0.5Mn1.5O4，其容量在5C倍率时的容量为50 mA·h·g-1，比大型LiNi0.5Mn1.5O4同等倍率下容量值更高。

电导率是影响快速充电性能的另一个重要因素，LFP、LCO和三元材料电导率较低，限制了它们的传输速率，可以用高导电材料如碳、金属等进行表面涂层提高导电性，碳材料如炭黑、石墨、石墨烯等导电性能好，且在充放电过程中不会引起副反应。WANG等[59]通过简单的煅烧法成功制备了三维碳包覆的LiFePO4，由于薄碳层可以保护LiFePO4，有碳涂层覆盖的LiFePO4体积可不受锂离子迁移影响，作为锂离子电池的正极材料，碳涂层覆盖的LiFePO4在2C倍率下具有159.8 mA·h·g-1的高比容量和良好的循环性能。OU等[60]制备了氮掺杂碳涂层LiFePO4，氮掺杂碳涂层能够有效防止LiFePO4颗粒在反应过程中的团聚和体积膨胀，氮掺杂碳涂层受益于电子的快速运输能力，可以显著提升氮掺杂碳涂层LiFePO4的导电性。结果显示氮掺杂碳涂层LiFePO4有着高效的传输速率能力以及良好的循环性能，在5C 倍率下比容量高达110 mA·h·g-1，经过100次循环后在1C倍率下有着140 mA·h·g-1的比容量。

3.3 电解质的优化

在电动汽车市场快速扩张的背景下，对高能量密度锂离子电池(LIB)的需求稳步增加，因此对高稳定性电解液的需求也随之增加。电解质有助于促进锂在阴极和阳极之间的快速流动，还有助于稳定电极/电解质界面，以避免其对电极结构完整性的严重破坏，并使电池能够在极其活跃的化学环境和高工作电压条件下工作。传统锂离子电池电解液通常由锂盐和有机溶剂组成，其组成和溶剂结构会影响Li+在电解液和SEI/CEI中的传输动力学[47]，此外在快速充电过程中电池内部发热容易使电解液分解，影响电池稳定性，快速充电引起的副反应可能会降低电解液的导电性和稳定性，开发既具备快速充电性能又高度安全的电解液非常必要。

电解液添加剂是提高锂离子电池性能最经济、最有效的方法之一。通过选择和配比少量添加剂，可以大幅提升电解液的整体电化学性能。高压锂金属电池能够实现能量密度的不断提高，但不稳定的电解质/电极界面和高电压下的容量不稳定性严重影响了电池的循环寿命。为解决上述问题，JIANG等[61]提出一种可去除氢氟酸的添加剂来优化电解质界面，结果显示在加入该添加剂后的电池在200 mA·h·g-1的条件下循环140次后，可提供145 mA·h·g-1的比容量。JIANG等[62]设计了一种高性能不易燃电解质，以4-硝基苯基三氟乙酸酯(TFANP)为添加剂，在碳酸丙烯酯(PC)/磷酸三乙酯(TEP)(体积4∶1)中构建了1.5 m LiTFSI，通过其优先分解，可以促进锂阳极表面富LiF固体电解质界面(SEI)和阴极表面阴极电解质界面(CEI)的构建。在含TFANP的电解液中，溶剂化鞘中TEP配位数的降低减轻了活性TEP对SEI和CEI的不利影响，抑制了Li枝晶的生长，减少了电解液的连续消耗，这项工作为研究可靠的LMB的不易燃电解质提供了新的添加剂见解。

4 总结与展望

随着快充技术的发展，传统快充策略已无法满足新阶段电动汽车的充电需求，各种新兴的智能充电策略得到了广泛应用，智能充电策略采用了先进的控制算法，使电池一直处于最佳充电状态，电池寿命也将随之大幅度延长，同时伴随着更丰富的应用场景，充电过程往往需要结合多种不同控制策略，兼顾多种优化目标是智能充电方法的发展趋势，目前智能充电策略成本较高且控制策略实现难度较大，在未来需要发展控制技术使得充电过程能同时兼顾电池效率和寿命。在电池内部正极和负极主要是通过对电极材料进行改性提高电极的快充性能，电解液方面主要通过加入少量电解质添加剂提升电解液的整体电化学性能。

总之，锂离子电池优异快充性能的实现不仅需要更加精确的快充控制策略，同时也需要从电池内部出发，通过对电极材料进行改性或者加入电解质添加剂提升其快充性能，缓解电动汽车用户续航里程焦虑，促进电动汽车发展。

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安全高效的锂电池充电控制策略对于电动汽车的发展具有重要推动作用。针对锂电池的快速充电问题,提出一种综合考虑锂电池充电速度、能量损耗、安全约束多目标优化充电控制策略。基于动作-评价网络框架,利用基于近端策略优化的深度强化学习算法,训练出使得充电目标对应的奖励函数最大的充电策略神经网络和策略评估神经网络。然后,利用训练完成的充电策略神经网络根据当前电价和电池SOC智能决策出最优的充电电流。该充电控制策略的优势在于能够在保证快速充电的同时,实现充电花费最小化。同时,充电策略神经网络在线运算量较小,与基于模型的在线优化算法相比更能满足充电控制的实时性要求。最后,仿真结果表明,该充电控制策略与传统恒流-恒压法相比,具有兼顾充电速度与电费支出的优势,满足快速充电任务需求的同时,最高可降低25%的充电成本。

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Safe and efficient lithium battery charging control strategy plays an important role in promoting the development of electric vehicles. Aiming at the problem of fast charging of lithium batteries, a multi-objective optimal charging control strategy is proposed that comprehensively considers the charging speed, energy consumption and safety constraints of lithium batteries. Based on the action-evaluation network framework, a deep reinforcement learning algorithm based on proximal policy optimization is used to train a charging policy neural network and a policy evaluation neural network that maximize the reward function corresponding to the charging target. Then, using the trained charging strategy neural network to intelligently decide the optimal charging current according to the current electricity price and battery SOC. The advantage of this charging control strategy is that it can minimize charging costs while ensuring fast charging. At the same time, the online calculation amount of the charging strategy neural network is small, and compared with the model-based online optimization algorithm, it can better meet the real-time requirements of charging control. Finally, the simulation results show that, compared with the traditional constant current-constant voltage method, the charging control strategy has the advantages of taking into account the charging speed and electricity expenditure, and can reduce the charging cost by up to 25% while meeting the requirements of fast charging tasks.

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“里程焦虑”一直困扰着电动车产业的发展，在电池能量有限的情况下，消费者期望电动车能够在10 min内完成充电，即充电能够像燃油车加油一样的方便快捷。电动车的快速充电一般指充电时间为0.5～2 h，长于2 h为常用的慢速充电，而低于10 min则为极快速充电。本文仅从科学与工程问题出发，从基础设备/设施、电池电源系统、热管理、单体电池设计、电池材料等层面分析了锂离子电池在极快速充电模式面临的一系列挑战，比较了目前技术水平与极快速充电要求之间的差距，对极快速充电需要解决的技术难题进行了凝练，虽然极快速充电目前还没有实现，本文提出了研发方向建议。

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The "mileage anxiety" has been plaguing the development of electric vehicle industry. Except loading batteries of high energy, consumers expect electric vehicles can be charged in 10 minutes, just as convenient and fast as fuel vehicles. Electric vehicles generally are charged between 0.5 and 2 hours as fast-charge, more than 2 hours as ordinary-slow-charging, and less than 10 minutes as called extreme-fast-charging (XFC). In this review, the science and engineering challenges in XFC, specifically for Li-ion batteries powered electric vehicles, are analyzed in terms of infrastructural equipment/facilities, battery pack/powertrain, battery thermal management, single cell design, battery chemistry and material and so on. This paper also analyzes the gap between technical status quo and XFC requirements, clarifies the technical difficulties that need to be solved in extremely fast charging. Although extremely fast charging has not yet been achieved, this paper proposes future R&D directions.

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With the impetus to accelerate worldwide market adoption of electrical vehicles and afford consumer electronics with better user experience, advancing fast-charging technology is an inevitable trend. However, current high-energy lithium-ion batteries are unable to support ultrafast power input without any adverse consequences, with the capacity fade and safety concerns of the mainstream graphite-based anodes being the key technological barrier. The aim of this review is to summarise the fundamentals, challenges, and solutions to enable graphite anodes that are capable of high-rate charging. First, we explore the complicated yet intriguing graphite-electrolyte interface during intercalation based on existing theories. Second, we analyse the key dilemmas facing fast-charging graphite anodes. Finally, some promising strategies proposed during the past few years are highlighted so as to outline current trends and future perspectives in this field.

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Graphite is the main anode material used in commercial LIBs, and graphite will remain the main anode material in the future. Failures often occur during the use or transportation of the LIB graphite electrode. These failures will affect the service life of an LIB. Therefore, how to extend the service life of the LIB graphite electrode becomes the most important issue. This article, as well as the recent relevant literature, summarizes the main LIB failure mechanism of the graphite electrode. Then, according to the failure mechanism of the graphite electrode material and the electrode design, two aspects are proposed to prolong the service life of the graphite electrode. Finally, the future development trend of the long-life graphite electrode is suggested.

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Lithium titanate and titanium dioxide are two best-known high-performance electrodes that can cycle around 10,000 times in aprotic lithium ion electrolytes. Here we show there exists more lithium titanate hydrates with superfast and stable cycling. That is, water promotes structural diversity and nanostructuring of compounds, but does not necessarily degrade electrochemical cycling stability or performance in aprotic electrolytes. As a lithium ion battery anode, our multi-phase lithium titanate hydrates show a specific capacity of about 130 mA h g(-1) at similar to 35 C (fully charged within similar to 100 s) and sustain more than 10,000 cycles with capacity fade of only 0.001% per cycle. In situ synchrotron diffraction reveals no 2-phase transformations, but a single solid-solution behavior during battery cycling. So instead of just a nanostructured intermediate to be calcined, lithium titanate hydrates can be the desirable final destination.

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Polysulfide dissolution and slow electrochemical kinetics of conversion reactions lead to low utilization of sulfur cathodes that inhibits further development of room-temperature sodium-sulfur batteries. Here we report a multifunctional sulfur host, NiS nanocrystals implanted in nitrogen-doped porous carbon nanotubes, which is rationally designed to achieve high polysulfide immobilization and conversion. Attributable to the synergetic effect of physical confinement and chemical bonding, the high electronic conductivity of the matrix, closed porous structure, and polarized additives of the multifunctional sulfur host effectively immobilize polysulfides. Significantly, the electrocatalytic behaviors of the Lewis base matrix and the NiS component are clearly evidenced by operando synchrotron X-ray diffraction and density functional theory with strong adsorption of polysulfides and high conversion of soluble polysulfides into insoluble NaS/NaS. Thus, the as-obtained sulfur cathodes exhibit excellent performance in room-temperature Na/S batteries.

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LiFePO4 (LFPO)has great potential as the cathode material for lithium-ion batteries; it has a high theoretical capacity (170 m·A·h·g−1), high safety, low toxicity and good economic benefits. However, low conductivity and a low diffusion rate inhibit its future development. To overcome these weaknesses, three-dimensional carbon-coated LiFePO4 that incorporates a high capacity, superior conductivity and low volume expansion enables faster electron transport channels. The use of Cetyltrimethyl Ammonium Bromid (CTAB) modification only requires a simple water bath and sintering, without the need to add a carbon source in the LFPO synthesis process. In this way, the electrode shows excellent reversible capacity, as high as 159.8 m·A·h·g−1 at 2 C, superior rate capability with 97.3 m·A·h·g−1 at 5 C and good cycling ability, preserving ~84.2% capacity after 500 cycles. By increasing the ion transport rate and enhancing the structural stability of LFPO nanoparticles, the LFPO-positive electrode achieves excellent initial capacity and cycle life through cost-effective and easy-to-implement carbon coating. This simple three-dimensional carbon-coated LiFePO4 provides a new and simple idea for obtaining comprehensive and high-performance electrode materials in the field of lithium cathode materials.

OU J, YANG L, JIN F, et al.

High performance of LiFePO4 with nitrogen-doped carbon layers for lithium ion batteries

[J]. Advanced Powder Technology, 2020, 31(3):1220-1228.

DOI:10.1016/j.apt.2019.12.044      URL     [本文引用: 1]

JIANG G, LIU J, HE J, et al.

Hydrofluoric acid-removable additive optimizing electrode electrolyte interphases with Li+ conductive moieties for 4.5 V lithium metal batteries

[J]. Advanced Functional Materials, 2023, 33(12):2214422.

DOI:10.1002/adfm.v33.12      URL     [本文引用: 1]

JIANG G, LIU J, WANG Z, et al.

Stable non-flammable phosphate electrolyte for lithium metal batteries via solvation regulation by the additive

[J]. Advanced Functional Materials,2023:2300629.

[本文引用: 1]

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