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超快充电技术对电动车辆电池寿命的影响研究

2025-05-18 296 上传者：管理员

摘要：随着电动车辆的快速普及，超快充电技术被视为缓解续航焦虑、提升用户体验的有效手段。然而，频繁使用超快充电会加速锂离子电池的容量衰减，缩短电池使用寿命。文章深入探讨超快充电场景下电池寿命衰减的多维度作用机制，通过剖析不同技术路径在电池寿命保护方面的贡献及存在的局限性，提出智能充电、主动散热、材料强化“三位一体”的技术优化策略，旨在为平衡充电速度与电池寿命提供参考依据，推动电动车辆产业的可持续发展。

关键词：
充电优化
热管理调控
电动车辆
电池寿命衰减
超快充电技术
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当前,电动车辆作为清洁交通的市场规模逐步扩大,用户对充电效率的需求催生了超快充电技术｡然而,大电流充电引发的电池寿命衰减问题制约了技术落地,频繁使用超快充电的车辆电池容量衰减,直接推高用户的后期使用成本｡同时,超快充电技术的普及程度,关乎电动车辆市场接受度与基础设施投资效益｡若电池寿命问题得不到妥善解决,将导致两个严重问题:一是用户担忧电池损耗而回避使用超快充电桩,造成设施利用率低下;二是电池过早报废推高全生命周期成本,削弱电动车辆的经济性优势｡因此,揭示超快充电对电池寿命的影响机制,并提出针对性优化策略,具有重大的经济价值和现实意义｡本文将深入分析电流负载､温度梯度､材料应力等因素对电池寿命的影响机制,探索充电策略､热管理､材料设计的协同优化路径,分析结果将为动力电池技术迭代､充电基础设施规划及用户使用规范制定提供有价值的参考｡

1、超快充电技术的基本原理

1.1超快充电技术的定义与分类

“超充”即超快速充电,采用大功率直流电充电方式,可大幅度减少充电时间,可在30min或更短的时间内充电80%或以上｡超快充主要有两条技术路线:一是大电流,二是高电压｡大电流技术路线需要先进的热管理技术支持,实现难度较大;高电压技术路线则可降低能耗､提高续航里程､减轻车辆质量､节省空间｡大电流意味着单位时间内有更多锂离子在电池内部迁移,会引发显著的欧姆热效应,导致电解液分解､隔膜收缩等不可逆损伤;大电流还会致使锂离子在负极沉积不均匀,增加形成锂枝晶刺穿隔膜的风险｡高电压技术路线是通过提升充电电压来间接增加功率输出,电压提升可降低传输线路的电流负荷,减少线路损耗和产热量,但对电池化学体系的适配性要求极高｡常规锂离子电池的正极材料通常设计为3.6~4.2V的工作电压窗口,超出此范围会引发正极晶格结构崩塌或电解液氧化分解｡因此,高电压充电需匹配耐高压电解液添加剂､高稳定性正极包覆层,且要升级充电桩与车辆间的电压匹配协议｡

1.2锂离子电池在超快充电中的响应特性

锂离子电池在超快充电过程中,其内部的离子传输动力学与热力学平衡状态被打破｡在电极界面层面,锂离子从正极脱嵌后,需穿越电解液并在负极表面嵌入晶格｡超快充电要求这一过程在极短时间内完成,导致局部锂离子浓度梯度急剧增大,浓差极化现象会迫使部分锂离子无法及时嵌入石墨层间,转而以金属态析出形成枝晶｡这不仅会造成电池容量衰减,还会引发内部短路风险｡此外,快速充电时,焦耳热与反应热的叠加效应会迅速提高电池内部温度,温度梯度引发的膨胀会在电极颗粒间产生剪切应力,导致活性材料微裂纹扩展和导电网络断裂;电解液在高电位或高温下的分解产物会堵塞电极孔隙,阻碍锂离子扩散通道｡上述这些因素共同作用,使得电池性能下降,表现为电池容量大幅降低､内阻激增｡

1.3充电功率与能量密度的关系

电动汽车电池充电功率由电流与电压的乘积决定,即要实现超快充电,要么增大电流,要么提高电压,或两者同时优化｡能量密度反映单位质量或体积内电池存储的电能总量,高能量密度电池采用的是活性更高的材料以存储更多电荷,但这些材料对充电条件更为敏感｡高电流会导致锂离子在负极表面堆积,形成局部过饱和,进而引发材料裂纹,这不仅降低了电池容量,还会引发短路风险｡由此可见,充电功率与能量密度之间存在矛盾:充电功率追求电能输入的“速度”,能量密度追求电能存储的“总量”,而两者共同受限于电池材料的物理化学稳定性｡要平衡充电功率与能量密度的关系,应通过纳米化或复合结构设计增加电极的比表面积,降低锂离子迁移的局部电流密度,从而缓解快充带来的材料疲劳｡同时,引入高效的热管理系统,通过液冷､相变材料或定向导热设计及时导出电池内部积聚的热量,维持适宜的工作温度区间｡

2、超快充电对电动车电池寿命的影响机制

2.1锂离子电池的极化效应与析锂反应

极化效应指当外部电流急剧增大时,电池内部阻抗产生额外热量,加剧了电解液分解和界面副反应;电化学极化则表现为电荷转移反应所需活化能升高,迫使电池工作电压偏离平衡状态,造成电极材料的结构性损伤｡析锂反应表现为锂金属在负极表面的不可控沉积,即当极化效应超过临界阈值时,锂离子在石墨层边缘形成枝晶状金属堆积,枝晶状金属会与电解液反应生成不稳定的固态界面膜,固态界面膜的反复破裂与再生持续消耗活性锂和电解液溶剂,导致电池容量永久性衰减｡金属锂沉积还会堵塞电极孔隙,阻碍锂离子传输,形成极化､析锂､阻抗上升的恶性循环,最终损害电池使用寿命｡

2.2温度梯度对电极结构的破坏作用

由于锂离子电池内部电池隔膜的导热性较差,热量在垂直于极片的方向上热阻较大,更容易产生温度梯度｡在电动车超快充电时,焦耳热和电化学反应热在短时间内集中释放,而电池外壳的散热效率有限,导致电芯中心区域温度显著高于边缘区域,此时界面处产生剪切应力｡当应力超过黏结剂的结合强度时,活性物质从集流体上成片剥离,形成电化学失活区域,负极石墨与铜箔的热膨胀差异使得部分颗粒因失去导电网络支撑,从而无法参与充放电反应｡颗粒表面因高温加速锂离子脱嵌,而核心区域因温度较低导致锂离子扩散滞后,使得颗粒表面收缩､内部膨胀,产生环向拉应力并引发径向裂纹｡此外,温度差异还会导致电解液黏度变化,对于高温区,其电解液流动性会增强;而对于低温区,由于锂盐溶解度下降,离子传输路径被局部阻断,从而进一步加速电池整体老化｡温度梯度对电极结构的破坏作用流程如图1所示｡

图1温度梯度对电极结构的破坏作用流程

2.3活性材料的结构相变与容量衰减

锂离子电池活性材料的结构相变过程中,富镍正极经历一系列相变:原始层状结构(H1)､单斜结构(M)､尖晶石相(H2)和岩盐相(H3),当镍含量超过60%,含钴正极在循环过程中,H2~H3相变会增加,同时引起晶格体积突变导致各向异性应变的增加,导致微裂纹程度更严重｡正极材料在高电压下脱锂时,过渡金属层间支撑力减弱,氧原子从晶格中逃逸形成氧空位｡这种相变导致锂离子嵌入位点减少且新相的电导率显著下降,且相变过程中产生的晶格畸变直接加大了锂离子扩散阻力,加速了电解液氧化分解｡从电池的负极材料而言,其结构失稳也会造成电池寿命的下降｡石墨在超快充电时,锂离子嵌入速率超过层间扩散能力,导致局部锂浓度饱和并引发层间剥离,剥离后的石墨片层失去电子传导能力,破碎的硅颗粒也失去了导电接触,无法继续参与锂离子存储｡活性材料结构相变关键参数见表1｡

表1活性材料结构相变关键参数

结合表1参数,当充电电压超过4.35~4.6V时,正极材料中的氧原子会从晶体结构中逃逸,形成氧空位,从而导致锂离子移动路径变得更复杂,电池容量快速下降｡石墨负极在超快充电(3~5倍率电流)时,锂离子嵌入速度过快,石墨层会被强行撑开,当层间膨胀超过10%~15%,石墨片层就会断裂或剥离,此时硅基负极体积膨胀高达200%~250%,失去储锂能力｡而当电池温度超过70~90℃,电池的正极结构破坏会更快发生,高电流下负极表面会快速形成固态电解质膜,每充放电一次,膜就增厚2~5nm｡过厚的SEI膜会阻挡锂离子移动,导致电池内阻升高､可用容量减少｡

3、电动车电池寿命优化策略

3.1引入充电曲线优化与动态调控技术

电动车充电过程中,充电曲线优化通过动态调整电流输入模式能够减少电池内部压力,这一过程中,电池管理系统的应用起到了至关重要的作用｡电池管理系统能够实时监测关键参数——电压､温度､内部阻抗,当检测到电池出现异常升温或电压突增时,系统立即降低电流,避免锂离子在电极表面过度堆积｡在低温环境中,系统会启动预加热程序,待电池达到适宜温度后再逐步提升充电速度,从而减少电池因过载以及低温引发的结构损伤,延长使用寿命｡在电动汽车充电初期,应采用较高电流快速补充电量,但当电量达到一定阈值后,应切换为脉冲式充电｡脉冲充电通过间歇性暂停输入电流,为锂离子在电解液中的均匀分布提供时间,缓解因浓度差异导致的内部应力｡在充电终止阶段,应结合温度变化率､电压稳定性等调整充电电压,以避免过充风险,同时减少电池在高电量状态下的材料疲劳｡

3.2提升电池热管理系统效能

电动汽车的电池热管理可采用液冷与相变材料结合的方式,液冷管道紧密贴合电池表面,冷却液流速根据实时温度动态调节｡对于高温区域,增加流速以快速散热;对于低温区域,降低流速,从而避免过度冷却,将电池组内部温差控制在极小范围内,减少因温度不均引发的电极材料膨胀以及收缩情况｡电动汽车高功率充电时,散热系统应提前介入以抵消电流产生的热量积累,一旦检测到异常温升,系统应立即中断充电并启动应急冷却程序,从而有效抑制电解液分解和电极材料氧化反应,延长电池的循环寿命｡3.3优化材料界面工程与电极结构设计电动汽车电池正极材料表面可进行纳米级保护层处理,该涂层允许锂离子自由通过,同时能够阻隔电解液对活性物质的化学侵蚀,减少副反应的发生｡负极材料则通过表面改性降低锂离子沉积阻力,防止枝晶形成,确保材料在充放电过程中保持完整,从而减少因反复形变导致的容量损失｡在电极结构优化方面,正极采用梯度孔隙设计,靠近集流体的部分结构紧密以增强机械支撑,表层孔隙率提升以加速锂离子扩散;负极构建垂直排列的微观通道,为锂离子提供快速迁移路径,避免局部堆积引发的应力集中｡通过界面与结构的协同改进,电池在高强度使用场景下的寿命能够得到有效延长｡

4、结束语

超快充电技术应用于电动汽车时,高功率充电会加速电池内部材料退化,引发电极结构损伤､锂枝晶生长及电解液分解等问题,采用充电曲线动态调控技术能够减少锂离子分布不均导致的应力集中;热管理系统则可以精准控温抑制副反应,延缓材料老化;界面工程与电极结构创新可提升电池对快充的耐受性,助力实现超快充电与长寿命的兼容｡未来,可利用人工智能技术构建动态充电模型,实现更精准的电池状态预测与控制,为电动车产业发展提供技术支撑｡

参考文献:

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基金资助:天津职业大学“十四五”教育教学改革项目“生源多样化背景下汽车类专业‘岗课赛证’融通人才培养模式研究与实践”(JY2021021)研究成果;

文章来源:楚晓婧.超快充电技术对电动车辆电池寿命的影响研究[J].汽车电器,2025,(05):21-23.