本文作者基于单层三电极软包装电池，在25℃ 、35℃ 和45℃下进行恒电位测试，得到相应温度下的快充电流。结合大容量电池的温升数据，得到电池对应温度和SOC下的快充电流，将得到的快充电流与仿真快充电流的循环数据进行对比。

实验

1.1 电池型号及实验设备

以标称容量为75mAh的三元材料软包装锂离子电池，长42.0mm×高53.0mm×厚0.6mm)为实验对象。大容量电池存在叠片层数较多、极片面积较大、极片电流密度不均匀等不利因素，会降低参比电极的准确性及可操作性，因此选用相同体系的单层小软包装电池进行三电极制作。实验在隔绝水、氧的手套箱中进行；通过恒温箱进行温度调节；用1470E电化学工作站进行恒电位测试。

1.2 实验方法及步骤

1.2.1 三电极电池的制作

参比电极由镍极耳和25μm直径的铜丝构成，通过超声波焊接在一起。铜丝在使用前用浓硫酸浸泡3h，进行预处理，去除铜丝部分的氧化层。有文献表明，铜丝应放置在隔膜与负极之间，且处于负极片中间位置,以便监测电池是否达到析锂电位。实验过程中,铜丝放置的方式如图 1 所示。

图1 铜丝在负极片中的位置

1.2.2 三电极电池镀锂

采用两段恒流充电的电镀策略给参比电极镀锂。首先，以0.33C(24.75mA)对三电极电池进行恒流充电至全电池的电压平台，再分别用正极和负极给参比电极镀锂，电流为0.03mA，电镀时间2h，以使铜丝表面的镀锂层更致密。

1.2.3 仿真快充策略

大容量电池的仿真采用电池伪二维(P2D)模型，仿真的边界条件是负极电位大于析锂电位，同时电芯温升不超过设置的上限温度。在此基础上，得到大容量电池的仿真快充策略：即0~8%SOC使用0.33C恒流充电，8%~25%SOC使用3.00C恒流充电，25%~40%SOC使用2.80C恒流充电，40%~55%SOC使用2.50C恒流充电，55%~70%SOC使用1.80C恒流充电，70%~80%SOC使用1.20C恒流充电，80%~100%SOC使用0.33C恒流充电至4.25V，转恒压充电至0.05C截止，以0.50C恒流放电至2.80V，以上为一次循环。

1.2.4 恒电位方法测试流程

恒电位测试先在25℃条件下，3.00C恒流充电至负极对参比电位为0V，再进行恒压(0V)测试持续充电，直到电芯的充电SOC大于80%停止，然后以0.33C放电至2.80V，继续下一个温度点测试，直至全部温度点测试完成。

1.2.5 恒电位方法快充策略的验证流程

采用两只标称容量为39Ah的三元软包装锂离子电池(长280mm×高105mm×厚8mm)进行快充循环验证。测试时分别采用仿真电流充电和0.50C放电、恒电位测试电流充电和0. 50C放电。两只电池均循环至容量保持率为 90%，停止测试。

结果与讨论

2.1 仿真快充策略验证

根据大容量电池的仿真电流进行快充循环测试。测试是以仿真快充电流进行充电、0.50 C放电，测试结果见图2。

图2 电芯快充循环曲线

从图2可知，容量保持率在第75次循环时，就衰减到90%。电芯容量衰减速度快，说明快充过程的电流过大导致负极的电位达到了Li+的析出电位。Li+得电子变成金属锂析出，充电电导流致电池容量出现快速衰减。由于仿真得到的是阶梯，无法准确确定是哪一SOC段的电流偏大导致快充过程电池析锂。使用恒电位测试方法，可以合理地制定各个SOC区间内的电流。

2.2 不同温度点恒电位实验结果

为修正仿真快充电流，需要采集小软包装电池不同温度恒电位测试时8%~80%SOC的电流和温度曲线。首先测试了25℃ 、35℃和45℃等3个温度点，得到恒电位测试不同温度的参比电极电压曲线，如图3所示。

图3 恒电位测试时不同温度下的参比电极电压曲线

从图3可知，温度越高，负极在参比电压下降到0V时对应的电池充电SOC越大。温度越高，负极参比电压下降的趋势越慢，说明负极充电受温度的影响较明显。恒电位测试不同温度下的电流曲线如图4所示。

图4 恒电位测试时不同温度下的电流曲线

从图4可知，45℃测试条件下，3.00C充电的电流在SOC达到35%时开始下降。根据设置的程序，只有达到负极的参比电压为0V时，才会出现电流的下降。35℃测试条件下，3.00C充电到28%SOC，负极的参比电压达到0V；25℃测试条件下。3.00C充电到17%SOC，负极的参比电压达到0V。相同的电流，充电的温度越高，恒流充到截止电压0V时，负极充入的容量越高。

恒电位测试不同温度下的时间曲线如图5所示。从图5可知，随着测试温度的上升，快充的时间从25℃的36min缩短到45℃的25min。这说明，温度升高，电池内部的动力学性能提升，会导致快充时间缩短，以及电池的析锂窗口的拓宽。

图5 恒电位测试时不同温度下的充电时间曲线

大容量电池快充电流的确定，需要结合小软包装电池不同温度下的恒电位测试结果。首先，大容量电池根据仿真快充电流进行快充测试，可得到整个SOC区间的温升数据，再结合各SOC段大容量电池的温升数据，匹配小软包装电池在不同温度下的快充电流，结果见图6。

图6 不同温度下的电流曲线及仿真快充温度曲线

将图6中25℃ 、35℃和45℃的电流曲线与仿真快充温度曲线通过电池SOC数据进行对应。8%~20%SOC的电池的温度为28~31℃，25℃下3.00C可充至17%SOC，35℃下3.00C可充至27%SOC，说明8%~20%SOC区间可选用3.00C的倍率。20%~30%SOC的温度是31~35℃，其中25℃下20%SOC对应2.70C，35℃下30%SOC对应2.80C，20%SOC实际的31℃可选用大于2.70C的倍率，30%SOC的35℃可选用2.80C的倍率，故20%~30%SOC可选用2.80C的倍率，以次类推，得到8%~20%、20%~30%、30%~35%、35%~40%、40%~45%、45%~50%、50%~55%、55%~60%、60%~70%及70%~80%SOC区间对应的倍率，见表1。

根据不同SOC下的电流进行计算可知，恒电位快充策略8%~80%SOC常温充电时间约为25.2min，即:(12%/3.00+10%/2.80+5%/2.60+5%/2.20 +5%/2.00+5%/1.80+5%/1.60+5%/1.40+10%/1.20+10%/1.00)×60=25.2min。

2. 3 大容量电池的恒电位快充策略验证

为验证恒电位快充工步的可行性，使用39Ah电池进行两种快充方案的纯快充循环测试，直至电池的容量保持率低于90%，停止测试，实验结果如图7所示。

图7仿真快充策略和恒电位快充策略的循环数据

从图7可知，恒电位快充工步的电池，循环性能优于仿真快充工步测试的电池。在90%的容量保持率下，恒电位快充电池的性能从仿真快充的75次提升到了520次，循环性能提升了6.93倍。使用实验得到的快充电流，可循环测试过程中控制负极对参比的电位高于析锂电位，不会出现析锂导致容量损失的现象，充分发挥电池的快充性能，因此，恒电位的方法可得到适用于大容量电池的快充电流。

结论

本文作者提出了一种基于三电极软包装电池恒电位测试的方法，结合大容量电池快充温升数据，得到适用于大容量电池的无析锂快充策略。将该方法得到的快充电流与仿真快充电流进行循环数据对比，发现循环性能提升了6.93倍。对比前期基于P2D模型计算的仿真快充电流，实验得到的快充电流更能反映电池的真实快充能力，充分发挥电芯的快充性能。该方法也可为评测电池负极的快充能力提供理论指导。针对不同负极材料，可制作小软包装电池，进行恒电位测试，得到不同温度下的最大充电倍率。未来可进一步选用合适的负极材料，进行快充型电池体系的开发。

文献参考：[1]卢兵荣,陈莉,韩丽华,路遥.三电极软包装电池无析锂快充策略[J].电池,2024,54(3):344-347