高功率及快充锂离子霍克蓄电池的内阻降低策略
随着电动汽车和便携电子设备的快速发展，对高功率快充锂离子电池的需求呈指数级增长。锂离子电池的内阻作为关键物理参数，限制了快充效率和高功率储能系统的性能，开发高效降低内阻策略已成为近期研究重点。本综述系统总结了降低高功率锂离子电池内阻的策略。首先，重点介绍了关键部件的创新进展，包括电极材料设计、电解质优化、分离器特性调控、集电器结构的改进以及片片连接工艺的改进。此外，综述还讨论了先进制造技术如何影响内阻，如厚电极工程、多层电池串联连接以及电池形状的选择和优化。此外，还涉及系统控制优化及内部电阻的变化，涵盖创新充电协议设计、人工智能和机器学习模型的应用以及改进热管理系统的实施。最后，重点介绍了开发高功率快充锂离子电池内部电阻的挑战和未来方向。此次审查尤为适用于电动汽车、自动驾驶无人机、高功率军事装备和大型储能站，从而为储能技术的进步铺平了道路。
简介
全球电动汽车（EV）市场的快速扩张以及可再生能源系统中储能需求的激增，推动了对高功率和快充锂离子电池（LIB）的需求显著增加[1]，[2]，[3]。根据EVTank的数据，2024年全球电动汽车销量达到1824万辆，同比增长24.4%。电池约占电动汽车成本的40%，其性能在决定充电效率和耐用性方面起着关键作用。近年来，“高压快充”的概念进一步加剧了客户对高功率电池的需求。因此，汽车公司和电池制造商都致力于加速技术创新，以满足超快充的市场需求，目标是实现“10分钟内充80%电量”。
行业的主要关注点是确保电池的安全性和稳定性，同时促进高速快充。在大多数介管中，当LIB受到高速充电时，会经历加速降解[4]，[5]，[6]。这种降解主要归因于三个因素，即锂电镀、温度等级和不可抗拒的电化学反应。首先，在高速充电条件下，由于电池极化加剧，阳极界面上的锂电极会导致锂树突生长加快，从而穿透分离器，导致电池内部短路[7]， [8]， [9]。锂电镀速度受初始电流与负极面积电阻的关系影响，这凸显了通过精细电池设计最小化内阻（IR）对于提升速率性能至关重要。其次，快速充电可能导致电池内部温度过高且不均匀。长期高温运行会导致红外线不可逆地增长，原因包括固体电解质界面（SEI）非均匀增厚、电极材料结构断裂以及分离器性能下降。与此同时，温度分布不均加剧局部侧反应和材料破坏，进一步加速红外的增加[3]、[10]。第三，在锂离子电极高速率循环过程中，会激发大量复杂且不可逆的电化学反应，从而增加电极接触电阻（Rc）以及高电阻钝化薄膜，导致更高的红外，进一步增强极化，减少可逆反应的活性位点，导致Li和活性物质持续减少，最终导致容量损失积累，加速电池老化[11]，[12]，[13]。因此，最小化锂离子电的红外线对于实现高效快充和推进高功率储能系统至关重要。+
LIBs的红外是指电流在充放电过程中通过内部元件（如电极、电解液和分离器）时遇到的所有电阻，这在物理上是离子电阻和电子导电阻的综合表现，通常由欧姆红外（OIR）和极化红外（PIR）组成。其中，OIR是指LIB内部材料在充放电过程中产生的离子/电子导电阻引起的瞬时电压降，包括电子电阻、离子电阻（R）离子），以及Rc[14]。相比之下，偏振是指当电流通过电极时，电极电位偏离平衡电位的现象。PIR是由正负极电化学反应中极化引起的红外反应，包括电化学极化和浓度极化。电化学极化起源于锂在电极/电解质界面的电荷转移反应（夹层/去夹层或沉积）中必须克服的活化能势垒，其电阻称为电荷转移电阻（R+CT).浓度极化是由电解质或电极材料内浓度梯度导致Li扩散延迟引起的，其电阻称为扩散阻抗[15]。电池的外红外主要受其整体导电性影响，而PIR则由电极活性材料中锂的固相扩散系数决定[16]。因此，通过精细设计电极材料、电解质、分离剂、电池元件和制造工艺，提升锂离子板的电子和离子导电率，有助于降低红外辐射并增强电池性能。++
与之前的综述[17]、[18]、[19]、[20]分别聚焦于电极材料或电解质的精细设计不同，本综述综合总结了先进策略，即从材料改进到器件设计和工艺控制。如图1所示，本综述从优化电极材料、提升电解质离子导电率、提升分离剂润湿性以及精炼集电器（CC）材料等策略开始。此外，还涉及电池制造过程中采用的最新制造技术和参数设计，包括热压成型控制、电极孔隙率工程及其他创新工艺。我们还详细讨论了电池系统的优化措施，包括充电协议设计、人工智能模型与机器学习的集成，以及先进的温度管理系统。通过系统性地评论这些方面，旨在阐明高功率和快充条件下各种因素之间的复杂相互作用，从而建立一个稳健的框架，以最小化整个锂离子电池的红外。本文所提供的见解为设计具备卓越快速响应能力的高性能LIBs提供了坚实基础。
