近日，寧波維科新能源科技有限公司的ZiwenWu（第一作者）和ChangheCao（通訊作者）、ShanshanSun（通訊作者）等人針對(duì)不同截止電壓對(duì)單晶NCM523/人造石墨體系電池性能的影響進(jìn)行了深入的研究和分析。提高鋰離子電池能量密度主要有兩種方式：1）提高正負(fù)極材料的比容量，例如正極開發(fā)高鎳材料，負(fù)極開發(fā)Si基材料；2）提高充電截止電壓，這主要帶來兩個(gè)方面的影響，一方面提供充電截止電壓本身就能夠提高正極材料的容量，另一方面提高充電截止電壓還能夠提升材料的電壓平臺(tái)，兩者共同作用能夠提升鋰離子電池的能量密度。

提高充電電壓意味著正極脫出更多的Li，正極中的過渡金屬元素的價(jià)態(tài)更高，因此高截止電壓通常會(huì)導(dǎo)致材料自身的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性降低和材料／電解液界面穩(wěn)定性降低，因此我們對(duì)于提升材料充電截止電壓一般都是非常謹(jǐn)慎的。近日，寧波維科新能源科技有限公司的ZiwenWu（第一作者）和ChangheCao（通訊作者）、ShanshanSun（通訊作者）等人針對(duì)不同截止電壓對(duì)單晶NCM523/人造石墨體系電池性能的影響進(jìn)行了深入的研究和分析。

實(shí)驗(yàn)中ZiwenWu采用了單晶NCM523作為正極材料，人造石墨作為負(fù)極材料，隔膜為12um的陶瓷涂層隔膜，電池結(jié)構(gòu)為卷繞式軟包電池，電池容量為1100mAh。

上圖為單晶NCM523材料的SEM圖片，顆粒表面光滑，顆粒直徑在1.5-8um之間，D50為4.14um，由于單晶的特點(diǎn)單晶NCM523材料相比于傳統(tǒng)的二次造粒NCM523材料的壓實(shí)密度有明顯的提升，可達(dá)3.6g/cm3。

下表為上述電池在分別在4.3V、4.35V和4.4V截止電壓下的容量、內(nèi)阻、電壓平臺(tái)和比容量、能量密度數(shù)據(jù)，從表中能夠看到隨著充電截止電壓的提高，電池的容量、電壓平臺(tái)、比容量和能量密度等指標(biāo)都有一定程度的提升，值得注意的是電池的內(nèi)阻同樣隨著充電截止電壓有一定的升高。從表中能夠看到同樣是提高0.05V，電壓從4.3V提高到4.35V所提高的容量（8.1mAh/g）要比4.35V提高到4.4V（4mAh/g）多一倍以上，這也表明在一定的范圍提高電壓能夠更有效的提升電池的電化學(xué)特性。

下圖為電池在不同截止電壓下的倍率性能測試結(jié)果，從圖中能夠看到不同倍率下容量保持率最高的為4.3V的電池，其次為4.35V，最差的為4.4V，這與我們在上面觀察到的隨著充電截止電壓的提高，電池的內(nèi)阻有所上升是一致的。

考慮到應(yīng)用場景非常寬泛，因此鋰離子電池的高低溫性能也具有非常重要的參考意義，下圖給出了1C倍率下的高溫（55℃）、低溫（-20℃）相對(duì)于常溫（25℃）的容量保持率，從圖中能夠看到充電截止電壓對(duì)于電池高低溫放電能力的影響比較小，但是整體上更高的截止電壓會(huì)導(dǎo)致電池的高低溫都有所下降，例如高溫下4.3V、4.35V和4.4V的電池容量保持率分別為109.7%109.1%和108.3%，低溫下分別為64.2%、62.5%和60.4%。

隨著幾種電池的充電截止電壓的提高，電極／電解液的界面穩(wěn)定性會(huì)有所降低，因此高截止電壓會(huì)導(dǎo)致存儲(chǔ)性能出現(xiàn)一定的衰降。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)隨著充電截止電壓的升高，電池內(nèi)阻也呈現(xiàn)相應(yīng)的上升，電池的厚度增加也明顯加大，電壓衰降也明顯增加，電池的容量恢復(fù)率也出現(xiàn)了相應(yīng)的降低，這些現(xiàn)象都表明在高截止電壓下電池的存儲(chǔ)性能出現(xiàn)了明顯的劣化，這主要是因?yàn)樵诟唠妷合码娊庖涸谡?fù)極表面的分解顯著增加導(dǎo)致的。

下圖a為電池在不同充電截止電壓的情況下1500次循環(huán)容量保持率曲線，可以看到在前800次循環(huán)中不同截止電壓對(duì)于電池的循環(huán)性能幾乎沒有顯著的影響，三種截止電壓的電池的容量保持率都在95%左右，但是在800次以后充電截止電壓對(duì)于電池循環(huán)壽命的影響開始顯著起來，截止電壓較高的電池衰降速度要明顯更快一些，在經(jīng)過1500次循環(huán)后4.3V、4.35V和4.4V截止電壓的電池的容量保持率分別為93.4%、87.4%和80.3%。

下圖為在不同電壓下循環(huán)后的電池的交流阻抗圖譜，從圖中能夠看到在循環(huán)之前電池的圖譜僅有一個(gè)半圓和一條擴(kuò)散曲線構(gòu)成，其中半圓為電荷交換阻抗，但是在經(jīng)過1500次循環(huán)后電池的交流阻抗圖譜已經(jīng)轉(zhuǎn)變成為了兩個(gè)半圓和一條擴(kuò)散曲線，高頻區(qū)的半圓為界面膜阻抗，中頻區(qū)半圓為電荷交換阻抗。從擬合結(jié)果（如下表所示），在經(jīng)過1500次循環(huán)后4.3V、4.35V和4.4V的電池歐姆阻抗分別為15.65、16.7和18.34Ω，界面膜阻抗Rsei分別為1.335、1.495和1.558Ω，差別并不大，但是電荷交換阻抗Rct分別為8.467、13.05和24.80Ω，高截止電壓下循環(huán)的電池的電荷交換阻抗出現(xiàn)了明顯的增加，這主要是因?yàn)殡姌O界面惰性層的增厚影響了Li+在正負(fù)極界面的傳遞。

ZiwenWu的研究表明隨著充電截止電壓的提升單晶NCM523/石墨電池的容量、電壓平臺(tái)和能量密度有所提升，但是倍率性能、高低溫放電和存儲(chǔ)性能有一定程度的劣化，充電截止電壓對(duì)于電池在前800次的循環(huán)性能沒有顯著的影響，但是在800次后充電截止電壓對(duì)于循環(huán)壽命的影響開始顯現(xiàn)出來，充電截止電壓較高的電池衰降速度要明顯更快。