下图为上述电池在循环过程中靠近隔膜处的电池极化情况,从图中能够看到随着电池老化程度的增加,电池的极化也在明显增加,在循环60次后负极已经开始出现负的电势,表明此时开始析锂,随着老化的继续增加电池析锂的现象更为严重,从而导致电池开始出现容量加速衰降的现象。
从上面的分析不难看出,如何避免在快充的过程中析锂是解决快充导致的寿命衰降加速的关键,而负极的电势小于0(vs Li /Li)则是导致负极析锂的首要因素,因此我们可以利用上述模型,跟踪不同充电模式下负极极化电位的方式对不同充电模式进行评估。
理论上只要负极的电位始终大于0V,就能保证负极不析锂,但是在实际中可能在之前的循环中积累了部分金属锂,或者因为某种未知原因导致负极析锂,因此作者充电的过程中又加入了一个短暂的脉冲放电,以便将负极表面存在的金属Li消耗。
在下图中作者对比5C恒流充电,5C恒流充电 2C脉冲放电,以及一个4.3C恒流充电(5C恒流充电与2C脉冲放电的平均值)三种充电制度,从下图b能够看到采用5C恒流充电的电池循环过程中的衰降要明显快于其他两种充电制度。在前100次循环中由于负极析锂并不严重,因此脉冲放电的效果并不显著,但是在100次循环后负极析锂开始加剧,因此脉冲放电能够减轻负极的析锂对于电池容量衰降的影响,因此我们能够看到增加脉冲放电的充电策略的电池是循环性能最好的。
从上面的结果可以看到通过在充电过程中增加一个脉冲放电过程,让负极的电位由负转正,能够有效的将负极析出的部分金属Li重新溶解,从而显著提升大电流充电时电池的循环寿命。根据上面的研究成果,作者设计了下图所示的充电制度,并与3C恒流充电和2C恒流充电的电池进行了对比,从下图b可以看到在整个充电的过程中3C恒流充电的电池的衰降速度都要远远快于其他两种充电制度,而增加了脉冲放电的充电制度在在容量衰降速度上要远远好于3C恒流充电,与2C恒流充电接近。
充电时间上,由于新的充电制度在低SoC时采用了大倍率进行充电,因此在充电前期充电速度很快,例如充电到60%SoC要比2C恒流充电时间缩短43%,比3C恒流充电缩短18%,随着后期充电电流的降低,因此新充电制度充电时间有所增加。但是随着循环中电池衰降的增加,由于采用3C恒流充电的电池衰降更大,阻抗增加更多,因此极化更大,从下表2中我们能够看到在循环60次后,反而是采用新制度的电池充电时间更短。