縮短充電時間對加快電動汽車的發展有很重要的意義。超快充技術（XFC）能使電池的充電時間縮短至10min以內。然而，鋰離子電池在超快充條件下會造成快速的產熱，有可能造成電池過熱，以致於縮短電池壽命以及帶來安全隱患。因此，有必要了解電池在快充條件下的熱行為。於此，阿拉巴馬大學聯合美國橡樹嶺國家實驗室，通過在電池內部植入微型熱電偶，原位測量了2Ah的LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2/石墨軟包電池在以7C倍率進行超快充時的內部溫度，考察了內部溫度和表面溫度的差異，估算了充電時的產熱速率。同時還討論了冷卻方式所帶來的影響。最後討論了在超快充階段電池電壓出現降低的有趣現象。
下圖為實驗時所植入的熱電偶示意圖。兩隻微型熱電偶所用的金屬絲直徑為80um，其中一隻熱電偶植入於電芯的中心，另一隻熱電偶放置在電芯和軟包殼體的界面處。另外，在軟包電池的外表面粘貼一隻熱電偶，監測電池表面的溫度。在每次充電之前，電池先以1.0A（0.5C）放電至2.8V，然後靜置30min。在室溫下（23±1℃）以CCCV模式進行充電，恆壓充電的截止電流為0.1A（對應0.05C）。電池水平放置於溫箱中，熱電偶朝上。採用兩種方式進行冷卻：強制對流和自然對流。強制對流時將溫箱溫度設置為23℃，然後通過內部風扇使空氣循環，通過強制對流冷卻鋰離子電池。自然對流時溫箱不工作，通過溫箱中的空氣自然冷卻鋰離子電池。
下圖為植入傳感器的實驗電池和未植入傳感器的對照組電池的對比結果。其中a為充電電壓，b為表面溫度。實驗組和對照組的電壓和表面溫度均非常接近。5C充電時，實驗組電池的電壓略高於對照組電池，可能歸因於植入傳感器之後，導致阻抗略微增加。
下圖為採用強制對流冷卻時，鋰離子電池在不同倍率充電時的電流、電壓、SOC和溫度變化。圖a顯示當電池電壓開始穩定在4.2V時，電流快速降低。7C充電時僅需280s便達到4.2V的截止電壓，而5C、3C、1C所需的時間分別為450s、860s和大於3000s。圖b顯示以7C倍率充電，僅需7.5min便能充電至80%SOC，5C倍率充電至80%SOC所用的時間為10min。然而，3C和1C倍率充電分別需要經過16min和50min以上才能達到80%SOC。儘管5C或7C倍率充電能大大縮短充電時間，但是電池的溫度增加程度和速度均大大超過1C倍率充電。7C充電300s，電池中心的溫度增加了22.5℃，而1C充電300s，電池中心溫度增加不足0.5℃，在整個充電過程中的中心溫度增加也不足1.5℃。以更快的倍率充電，從電芯中心到表面和環境的厚度方向的溫度梯度也更大。1C倍率充電時的溫度梯度小於0.2℃，而7C倍率充電時達到了3.4℃。嵌入的微型熱電偶會導致額外熱阻增加，人為造成更大的溫度梯度。因此，需要採用更薄的溫度傳感器或者非侵入式的內部溫度測量技術來消除這種影響。
以上討論發現7C和5C充電時溫升更高更快，這歸因於更高的產熱速率。通過忽略混合熱效應，電池的產熱可只表達為不可逆熱和熵變熱之和，具體見等式1：
其中I是電流，充電時為正值；V是電池電壓，U是開路電壓，T是絕對溫度（K），
是熵變係數，I（V-U）是不可逆產熱速率，
是可逆產熱速率。
下圖為充電時產熱估算的結果，包括通過對照組電池測量的SOC-OCV曲線，對照組電池不同SOC下的熵變係數，實驗電池的不可逆產熱、可逆產熱、總產熱和平均產熱。同一SOC下電池開路電壓隨溫度的變化很小（熵變係數很小），在-0.39mV/K至0.09mV/K之間，因此使用室溫下的開路電壓來估算不可逆產熱，所帶來的的誤差可以忽略不計。1C充電時，不可逆產熱小於0.3W，而7C和5C充電時的不可逆產熱卻急劇增加至9.1W和4.6W。達到最大值後，不可逆產熱速率開始降低，歸因於電池內阻隨著溫度增加而降低。當電池電壓達到上限值時，電流開始快速降低，此時不可逆產熱速率也相應降低。在充電開始時，可逆產熱為負值，然後逐漸增加至正值。在5C或7C充電時，可逆產熱速率的幅度遠小於不可逆產熱速率，但是在充電開始時，可逆產熱速率會對總產熱速率產生明顯影響。從平均不可逆、可逆和總產熱速率的曲線可知，7C充電的平均總產熱速率是1C充電的34倍之多。
隨後作者考察了冷卻方式對電池溫升和溫度梯度的影響。下圖為在自然對流下，以3C和5C充電時電池的電化學和熱行為，包括電流、電壓、SOC和溫度曲線。在自然對流下，5C充電時的最大電池表面溫升達到20.6℃，比強制對流冷卻下5C充電時的最大溫升要高（僅為13℃），甚至高於強制對流時7C充電的最大溫升。這種對比結果表明採用類似強制對流的冷卻方式能控制超級快充時鋰離子電池的溫升。此外，強制對流冷卻的溫度梯度也大於自然對流情況，這是因為強制對流會導致更快的熱消散。
通過仔細觀察測試結果，作者發現強制對流冷卻下7C充電和自然對流冷卻下5C充電時電池電壓均會出現明顯的下降過程。為了更方便討論，下圖繪製了兩種情況下電池充電電壓和開路電壓隨SOC的變化關係。根據等式1可知，在恆流充電時，當電池的開路電壓U隨SOC增加而增加，而電池電壓V降低，表明產熱速率降低。更低的產熱速率導致更慢的溫升。快充時短暫的電壓下降現象歸因於開路電壓和內阻的逆轉效應。在充電時更高的SOC導致開路電壓U升高（下圖a所示），而更高的溫度導致電池內阻降低（下圖b所示）。通過恆溫箱將電池進行加熱/冷卻至特定的溫度，當所有電池的溫度穩定時採用0.5C（1A）進行脈衝充電/放電。如果開路電壓的影響小於電池內阻，那麼電池電壓會降低。在兩種冷卻方式下，電池的電壓從~22%SOC至~40%SOC區間開始下降。該SOC區間的電池開路電壓隨SOC增加緩慢，如果此時電池的溫度快速增加，那麼電池內阻的影響會超過開路電壓，導致電池電壓降低。從22%SOC到40%SOC，在強制對流冷卻下，7C充電電池中心的溫度增加了6.1℃，而自然對流冷卻時5C充電電池的溫升為6.8℃。強制對流冷卻時5C充電電池的溫升僅為3.8℃，這也正是電池電壓出現短暫降低的原因。超過40%SOC後，開路電壓隨著SOC增加而快速增加，並佔據主導，造成電池的充電電壓再次增加，直至達到上限電壓。
綜上，作者原位測量了2Ah的LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2/石墨軟包電池在室溫下於7C超快充時的內部溫度，並且量化了產熱速率。主要結論有：（1）在強制對流下以7C充電5min，電池中心的溫度增加了22.5℃，而1C充電整個過程的溫升不超過1.5℃。(2)超快充時電池中心溫度和表面溫度的差異大於1C充電。7C充電的差異達到3.4℃，而1C充電的差異僅為0.2℃。(3) 超快充時產熱速率遠高於1C充電。7C恆流充電的平均產熱速率是1C充電的34倍。(4)自然對流的冷卻效果比強制對流差，溫度梯度更小，但是溫升更高、更快。(5)在超快充階段出現短暫的電壓降低，歸因於電池溫度快速增加導致電池內阻降低。
參考文獻：In Situ Measurement of Lithium-Ion Cell Internal Temperatures during Extreme Fast Charging；Journal of The Electrochemical Society, 166 (14) A3254-A3259 (2019)；Shan Huang, Xianyang Wu, Gabriel M. Cavalheiro, Xiaoniu Du, Bangzhi Liu, Zhijia Du, and Guangsheng Zhang.
來源：新能源Leader，作者：逐日