力神公司洪树博士、马东玮博士联合中南大学洪波教授大圆柱电池研究成果：力神自主研发280Wh/kg 4695大圆柱电池快充优化策略

第一作者：洪树

通讯作者：马东玮*

单位：天津力神股份有限公司，中南大学

随着电池能源存储技术的广泛应用，人们对于高续航里程以及电池快速充电的需求不断提升，开发具有高能量密度的锂离子电池快速充电技术仍然是一项重大且尚未解决的挑战。幸运的是，具有创新“全极耳”设计的46系列大圆柱电池的出现使得电池内阻降低，充电效率提升，大大增强了锂离子电池的快速充电能力。同时其较大的尺寸使得金属外壳重量占比降低，正负极活性材料的比例上升，能量密度大幅增加，从而使得续航里程提升显著。因此，开发同时兼顾高比能和超快充能力的46系列大圆柱电池成为当前动力电池领域的研究重点。尽管已有相关工作探讨了有关锂电池快充提升及失效机理分析，但考虑到46系列“全极耳”大圆柱电池是一种新兴的具有快速充电能力的储能装置，为了充分发挥其快速充电能力，有必要对其快速充电失效分析机制进行研究。本文展示了具有18min以内快速充电能力的力神自主研发的4695 280Wh/kg大圆柱电池，并且快充循环寿命突破1200次@80%，相当于超过600000公里的行驶里程。通过充放电测试、三电极分析和热力学模拟手段，评估了包括析锂边界、工况温度、注液系数等关键参数，并且对循环1200次以上的电池进行失效机理分析。本文为46系列大圆柱电池的商业化提供了重要的见解，有助于加速46系大圆柱电池的规模化量产应用。

基于此，来自力神公司的洪树博士、马东玮博士与中南大学洪波教授合作，在国际知名期刊Journal of Power Sources上发表题为“Optimization of fast-charging strategy for LISHEN 4695 cylindrical lithium-ion batteries”的研究论文。该文章展示了由力神公司自主研发的具有18min以内快速充电能力的4695大圆柱电池，能量密度高达280Wh/kg，快充寿命超1200次@80%，相当于超过600000公里的行驶里程。并同时分析了4695 280Wh/kg大圆柱电池的快充优化策略和相应的失效机理分析，有力推进了46系大圆柱电池的商业化进程。

图1. 力神自主研发的4695-280Wh/kg大圆柱电池的基础电性能及结构示意图。

由天津力神股份有限公司自主研发的4695 280Wh/kg大圆柱电池电芯单体容量达到33Ah，能量密度达到280Wh/kg，25℃ 0.5C/1C，0%-100%SOC工况下，循环寿命1200次@80%以上，5%-97%SOC工况下，循环寿命1300次@80%以上。10%-80%SOC内，快充时间＜18min，3N3F（3N：0.5C/1C normal charge/discharge；3F: XC/1C fast charge/discharge, X=3, 4, 5）快充循环寿命1200次@85%以上，DCIR＜2.8mΩ，ACIR＜1.8mΩ。

要点二：析锂边界/快充工况温度/注液系数/快充制式等关键参数的探究优化

探究不同SOC和不同充放电倍率下的析锂边界对于确保电池安全至关重要，也是当下电池制造商和应用领域的重要研究热点。本文首次基于NCM-SiC化学体系下的4695大圆柱电池的析锂电位进行快充能力的研究，制定10%-80%SOC下，≥10mV为负极标准析锂电位，充分发挥大圆柱电池的快速充电能力。之后基于标准析锂电位，通过热力学模拟仿真，探究得到最佳快充工况温度为25℃，并依据快充循环寿命及DCIR循环增长情况得出最优注液系数为1.45g/Ah。之后基于析锂窗口以及最优工况温度和注液系数，优化快充制式（3C-7阶→4C-9阶），在保证循环保持率和芯部最高温度（＜60℃）无明显差异的前提下，最大充电电流升至4C，并且降低了析锂风险，提升了电芯在使用过程中的安全稳定性。

图2. 充电末期4695-280Wh/kg大圆柱电池径向方向的温度场模拟。

要点三：快充循环1200次后无损/有损失效机理分析

本文首先通过DVA/EIS/SEM/TEM等方式对循环前后的4695-280Wh/kg大圆柱电池进行机理分析，表明负极活性物质损失以及SEI层的逐渐增厚导致活性锂损耗并提升了Li⁺扩散电阻。XRD/SEM/HRTEM等分析表明正极NCM活性物质没有发生严重的破坏，并且循环1200次后仍能保持完整的结构形貌，但负极石墨化度显著降低了约16.3%，同时可以观察到Si/C颗粒与导电碳之间的分离。XPS表征进一步分析了负极表面的SEI层主要由LiF和Li_xPF_yO_z组成。对循环前后的全电池进行原位XRD监测，发现循环后负极的LiC₆相消失，而正极结构没有明显变化。综上所述，本文失效分析得出负极损失是造成4695-280Wh/kg全电池电芯容量衰减的主要原因，后续应从负极材料优化来进一步提升产品的快充性能。

Optimization of fast-charging strategy for LISHEN 4695 cylindrical lithium-ion batteries

洪树博士简介：中南大学博士、博士后，研究方向为锂离子电池用功能电解液，博后期间主要从事锂盐类添加剂的合成以及原位凝胶半固态电池的研究，福建省高层次人才，滁州市高层次人才，滁州市先进个人，现任力神（苏州）公司总工程师。主持多项重大研发项目攻关工作，以第一/通讯作者发表10余篇研究论文，申请/授权国家发明专利20余项。

马东玮博士简介：华北电力大学博士，毕业后进入天津力神股份有限公司先进技术研发部从事46系大圆柱电池的研发工作。长期从事包括锂离子电池、铝离子电池和锂离子电容器在内的能量存储设备的纳米材料和电解质的合成应用与结构改性研究。以第一/通讯作者身份在Advanced Functional Materials, Sustainable Materials and Technologies, Energy & Environmental Materials等学术刊物上发表10余篇研究论文，累计影响因子100.01，申请/授权国家发明专利2项。