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引言
近日，“超充”、“閃充”的大倍率快速充電技術備受鋰電圈的關注，例如寧德時代的第二代神行超充電池，其“充電5分鐘，續航520公里”的油電同速充電技術猶如一顆戰略級核彈，看似是針對燃油車的技術革命，實則正在引發一場更為深遠的產業變革，新能源汽車補能方式來到十字路口。為了實現這樣的超充新能，寧德時代第二代神行電池的“峰值充電速度“高達12C，且”峰值充電功率“則突破了1.3 兆瓦，如此高的充電倍率與充電功率對鋰離子電池的工藝設計也提出了巨大的挑戰。為了應對這一挑戰，對于鋰離子電池的極片設計而言，其背后隱藏著一個關鍵的測試參數：極片的迂曲度，或極片的離子電導率。這個參數是鋰離子在電池或極片內部是否能"跑得快"的底層密碼。本文將帶您深入電池微觀世界，揭秘超充或閃充技術背后的物理化學法則與工程智慧。
極片迂曲度：電池快充的"交通規劃學"
如果把鋰離子比作“通勤車輛”，極片的結構就是它們必須穿越的城市路網。迂曲度（Tortuosity）這個物理參數，精準刻畫了鋰離子遷移路徑的"擁堵指數"。如下圖所示[1,2]，如果極片迂曲度較大，鋰離子這輛車就像在九曲十八彎的胡同里面“龜速“挪動，尋找合適的位點與電子相結合，速度自然會慢很多，即無法實現電池的快充。但是，如果極片的迂曲度較小，鋰離子這輛車就會像在雙向八車道的高速路上疾速奔跑一樣，快速到達目標位點與電子結合，此時電池的充放電速度自然就會快很多。傳統石墨極片的迂曲度大致在3~7范圍內，而新型快充極片的迂曲度則可以降至1.5以下。
在極片制備工藝上，工程師們通過"介孔骨架+納米網絡"的三維復合結構，可將極片的迂曲度降低40%，實現了15分鐘充電80%的突破。這就像在城市中心架起立體交通樞紐，讓鋰離子告別"繞遠路"的困擾。其具體實現路徑包括：
1.梯度孔道設計：在20μm厚度的極片內構建10~100nm的分級孔隙；
2.導電網絡優化：碳納米管的添加量從0.5%提升至1.2%，形成三維導電骨架；
3.極片成型工藝：采用微凹版涂布技術，控制極片面密度的偏差<±1.5%。
技術突破的"矛與盾"
在追求低迂曲度的同時，可能會降低極片的整體壓實密度，即電池的能量密度會有所下降，為此，工程師們也亟需破解這一對技術矛盾。某龍頭電池企業選擇在能量密度與快充性能之間進行博弈，其通過多孔硅碳負極（孔隙率35%+首效92%）實現了二者的平衡，即在提升負極硅含量的同時，采用納米硅晶（粒徑＜150nm）抑制其充電膨脹效應，再匹配中鎳或高鎳三元正極，確保其能量密度不會受到大幅影響。而有些企業則是在做厚度與機械強度的取舍，例如在使用干法極片工藝制備4680電池時，可以將極片厚度從120μm減至80μm，同時降低粘結劑的用量，從而提高極片的壓實密度。還有些電池企業則是在成本與技術路線間進行抉擇，例如可以選用磷酸鐵鋰體系配合4C快充技術的組合，采用多孔碳包覆技術，并添加0.5%單壁碳納米管，再搭配高電壓電解液（4.4V耐壓），使得他們在有效控制電池成本的同時，實現了25分鐘30%~80%的快充。
IEST元能科技：極片迂曲度表征的“引領者”
傳統的極片迂曲度表征方案是通過組裝軟包對稱電池進行交流阻抗（Electrochemical Impedance Spectroscopy，EIS）測試，并提取離子電導率進行計算，該方法需要結合手套箱氛圍，且軟包電池的裝配復雜繁瑣，耗時耗力。為了簡化該裝配、測試過程，并盡可能減少所需的輔助設備，元能科技自主研發了極片迂曲度測試儀（如下圖所示），該設備配備快速對稱電池裝配模具，方便客戶在其中組裝對稱電池，且設備能夠實現“自動注液”與“自動EIS測試”，操作簡便，易于上手，有助于提升用戶的裝配與測試效率，可以稱之為是一款小巧易用且可靠的行業顛覆性設備！
結語
當動力電池的"離子高速公路"網絡日漸完善，曾經制約電動車的充電焦慮終將成為歷史。從材料實驗室的分子設計，到工廠里的精密工藝制造，再到充電樁前的分秒必爭，這場讓鋰離子"跑得更快更順暢"的技術革命，正在重構人類與能源的關系?；蛟S在不遠的將來，"充電比加油快"不再是營銷話術，而是每個新能源車主觸手可及的日常體驗。
參考文獻
[1] 汪晨陽, 張安邦, 常增花，吳帥錦，劉智，龐靜, 鋰離子電池用多孔電極結構設計及制備技術進展. 材料工程 50 (2022) 67-79.
[2] J. Landesfeind, J. Hattendorff, A. Ehrl, W.A. Wall and H.A. Gasteiger, Tortuosity Determination of Battery Electrodes and Separators by Impedance Spectroscopy. J. Electrochem. Soc. 163 (2016) A1373-A1387.
關于元能
元能科技是一家專注于鋰離子電池檢測儀器研發與生產的高新技術企業，致力于為全球新能源領域提供領先的檢測解決方案與服務。
元能科技注重前沿技術研發，擁有材料、物理、化學、電化學、光學、機械、電子、計算機、人工智能等多學科多專業交叉的研發團隊，圍繞表征方法、設備技術、應用方案等開展自主研發，推出多款行業領先的新型儀器，獲得了多項發明專利及實用新型專利，服務于全球眾多材料企業、電芯企業、終端企業、科研院所、高校及政府檢測單位。同時，元能科技積極推動建立行業上下游規范統一的檢測方法，主導或參與制定多項國家標準、行業標準及團體標準，參與國家重點研發計劃，助力新能源行業的創新與發展！
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