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【科普】电动汽车动力电池快充技术的正确打开方式(上)

导读: 在本文中,笔者首先进行一下基本科普,然后从材料角度入手,分析锂电池快充技术对于电池材料、组成结构方面的要求,并将简单分析需要快充技术的场合和该技术的意义,主要面向对象是对于材料、电池、汽车、储能、投资、政策等相关行业需要对技术有一定了解的朋友。

  OFweek新能源汽车网讯 近年来,关于电池快充的大新闻很多,但是其中噱头占了大多数,真正靠谱的技术却一直处于低调的状态。笔者发现对于快充的剖析、科普文章一直比较少,很多人对快充有着许多的疑问。在本文中,笔者首先进行一下基本科普,然后从材料角度入手,分析锂电池快充技术对于电池材料、组成结构方面的要求,并将简单分析需要快充技术的场合和该技术的意义,主要面向对象是对于材料、电池、汽车、储能、投资、政策等相关行业需要对技术有一定了解的朋友。

  关于快充常见问题的几个科普回答

  首先介绍电池充电中的“C”的概念。这个概念非常重要,是电池讨论分析中最常用的术语。电池中的倍率缩写是Current-Rate——“A C rate is a measure of the rate at which a battery is discharged relative to its maximum capacity.A 1C rate means that the discharge current will discharge the entire battery in 1hour.”就是电池在规定的时间内放出其额定容量所输出的电流值,1C表示用1个小时将电池电量放完所需要的电流大小。2C就表示0.5小时放完所需要的电流大小。倍率越大,也就意味着电流越大。(相关参考:如何通俗的理解锂离子电池倍率越大容量越小?)

  之后就是快充的定义:顾名思义,快充即对二次可充放电池的快速充电的过程,其实多快算快,多快就不算快也没有一个特别严格的定义,但是一般情况下可以简单化的理解为在小于1小时内充电的制度(即充电速率大于1C)。知乎上经常有人咨询笔者各种快充的问题,在这里,笔者首先要强调几个概念,供科普用:

  1)电池的充电一般都是靠测量其电压来测定充放电程度的,使用库仑计的是少数,而这种情况下电池充/放电的电量显示实际上只是一个电池实时电压的换算关系。快充与慢充相比,会带来很大的过电压(电流变大,U=IR,电池内阻会贡献更大的过电压),化学扩散反应也会跟不上,此时虽然电池可能表面上充到了一个高电压值而显示电量很高,实际上并没有充进那么多电,一个实例如下图所示:

这才是保证电池安全靠谱的快充技术正确打开方式(上)

  该图中,同种材料经不同优化工艺后,倍率性能不同(左差右好),在5C高倍率充放电制度下虽然都充到了4.5V(体现为充“满”),但是实际上可用的容量差别很大,一个为75mAh/g,一个为108mAh/g。

  2)所以实际上,任何电池其实都能快充充“满”电,在这里的“满”其实只是电压提了上去,无法与充入的电量/能量直接线性比例地对应起来。而且在这些时候,大电流充电会导致焦耳发热效应加剧(Q=I2Rt),并带来电池内的材料副反应分解、产气等一系列问题,危险系数骤然增加,至于此条件下电池的寿命就更不用提了,非功率型电池的寿命必然会大幅缩短:因此其实是大部分厂家自己为了安全可靠,出于综合考虑,厂家设计了电路为电池限定了充电电流的上限,不让大家使用快充。

  3)所以如果电池想要快充,对于其功率相关的性能要求也就更高,内阻低就是很重要的一条(Q=I2Rt,小的电阻值R可以减少焦耳发热量),在这种情况下,使用高电导的电极材料(碳包覆,改性提高锂扩散系数,减小粒径缩短扩散路径)、使用更多的导电剂、涂布更薄的电极(让传质扩散距离变短)都是典型的功率快充型电池的设计思路。以上这些设计理念当然也会与追求能量密度的目标有所冲突,鱼与熊掌不可兼得,具体可以参考笔者之前的文章《光说几分钟充满,其它性能都不说的快充技术,都是耍流氓》。

  4)满足3)中所述特性的功率型电池,比起能量型电池更为适合快充,这意味着其内阻小,充电发热量低,副反应更少,安全性能更好,比起能量型/那些大部分不适合快充的电池,在大电流快充时其电压与充入电量/能量的对应关系更优,通俗的讲就是:发热少,更安全,真的能充进那么多电,而不是只是显示着好像能充进去。

  5)老生常谈的一个简单判据,如果有人吹嘘他的快充技术,你一定要折算一下充电功率,然后看看这个充电功率需要对应多粗的电线,单这一条判据就足够筛走90%不靠谱的快充假新闻了。

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责任编辑:LGM
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