動力電池的充電速度受什么限制？鋰離子電池基本工作原理和結(jié)構(gòu)

在討論動力電池充電速度的時候,電池本身的承受能力絕對是最無法繞過的一個因素。無論外圍的充電設(shè)備有多牛、功率有多大、充電能力有多強,如果電池本身在能夠接受的充電能力方面有短板,那么充電速度肯定就快不起來。加上電池容量又比較大的話,自然充電時間就長了。

如果你高中學(xué)過電化學(xué)方面的知識的話,就會了解動力電池充放電的過程,本質(zhì)就是電池內(nèi)部通過一系列的氧化還原反應(yīng),來實現(xiàn)電子在正極和負(fù)極之間定向轉(zhuǎn)移。以當(dāng)下主流的鋰電池為例,雖然種類五花八門,但是大體的構(gòu)造無外乎包括正極材料、負(fù)極材料、隔膜、電解液等,充電的過程,基本上就是鋰離子從負(fù)極脫出,穿過隔膜和電解質(zhì),擴散到達(dá)正極的過程——擴散速度自然就成了充電速度的關(guān)鍵。

理論上,的確可以通過加大電流來提升充電速度。但是電流太大的話,電池內(nèi)部鋰離子的擴散速度跟不上電子擴散速度,就會導(dǎo)致電子-離子運脫節(jié),影響電池性能,能夠達(dá)到的充電容量也相應(yīng)減少,電池的壽命就更是慘不忍睹了,甚至?xí)衅鸹鸨ǖ奈ｋU。

所以一般來說,在不趕時間的情況下我們建議盡量用慢充,有利于延長電池的壽命。

而鋰離子的擴散速度,和溫度、正極材料和結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。

首先是溫度,一般來說溫度越高自然是擴散速度越快,但是溫度過高的話也會導(dǎo)致電池壽命降低、充電安全性下降等問題。溫度過低的話同樣不行,氣溫過低的情況下,電池中的金屬鋰會發(fā)生沉積,從而造成電池內(nèi)部短路,尤其是磷酸鐵鋰電池。一般0℃時磷酸鐵鋰電池的容量大概只剩下60～70%左右,到了-20℃時就只剩下可憐的20～40%了。所以在氣候寒冷的北方冬季,電動車必須要有給電池模組加熱的功能,由此耗電自然也更快。

其次是材料,不同的材料擴散能力差距非常大,像鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰、NCM、NCA等都是性能很不錯的正極材料,而后兩者也是當(dāng)下性能最好、應(yīng)用普及度比較高的兩種材料了。這也是如今的鋰電池以正極材料命名的一個重要原因。

在電池行業(yè)的領(lǐng)域,通常會用充放電倍率來描述充電速度和電流大小的關(guān)系,譬如1小時充滿電池時的速率稱為1C,只需30分鐘的速率則稱之為2C,如此類推,超過1C就可以稱為快充。如今鋰離子電池的充電速率普遍可以做到1C-3C,最高大概可以去到5C,但是相比起動輒10C的放電速率自然還是要差很遠(yuǎn)。

除了最大充電速率有瓶頸之外,不同SOC(State of Charge,即荷電狀態(tài),也就是剩余電量)下電池能夠承受的充電速率也是有差別的。一般來說,電池在充電過程的特性大致和上面這張圖類似,充電的速率會遵循慢——快——慢這樣的節(jié)奏。一般當(dāng)SOC達(dá)到90%以上的時候,電池的內(nèi)阻就會明顯上升,使得充電速率放慢。如果你有留意當(dāng)下在售的大部分電動車,都會發(fā)現(xiàn)它們會宣傳自己在特定的快充狀態(tài)下,能夠在一個相對比較短的時間——例如1小時乃至30分鐘的時間里,充滿一個大比例的電量,一般在80%-90%左右,就是這個意思。

所以如果你是一個電動車用戶,想要盡可能節(jié)約充電耗時的話,盡量不要動輒把電量用到10%以下,充電的時候也不一定非要充滿,達(dá)到90%以上,或者能夠滿足你下一次出行需要的里程數(shù)就足夠了。

充電設(shè)備的充電速度受什么限制?

除了電池本身的瓶頸之外,外圍的充電設(shè)備也有自身的限制。簡單來講,充電樁輸出功率越大,充電時間越短。但是充電樁也不是可以無限提高充電功率的。先來說下電動汽車的充電大體是一個什么樣的過程。

一說到汽車充電,大家首先想到的自然就是充電樁。簡單來講,充電樁輸出功率越大、電池容量越小,充電時間自然越短。這就和要把一個水池放滿水,放水管越大、水池越小自然耗時越短是一個道理。不過作為電動車用戶,當(dāng)然希望自己的電池容量也足夠大,所以提升充電樁功率自然是更應(yīng)該做的。車用的充電樁一般分為交流充電樁、直流充電樁兩種。我們分開兩種情況來講。

先講普適性比較強的交流充電樁。它多采用和家用電壓大小一樣的220V交流充電,一般電流只有16A或者32A,充電速度相對比較慢,在電池容量20kwh左右的情況下,要大概6-8個小時才能夠充滿電。

鋰離子電池基本工作原理和結(jié)構(gòu)

電池的基本原理:正極發(fā)生還原反應(yīng),得電子;負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng),失電子。電子經(jīng)過負(fù)載,由負(fù)極流向正極,形成方向從正極到負(fù)極的電流。

介紹鋰離子電池的工作原理時,以應(yīng)用較為廣泛的 18650 鋰離子電芯為例,下面是發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)示意圖和公式:

先看放電過程中正極的反應(yīng)(鈷酸根先拿掉)。

1個 (+1)價鋰離子<------ (1-x) 個 (+1/(1-x)) 價鋰離子 + x個 (+1) 價鋰離子 + x個電子

令 x=0.5,得:

1個 (+1) 價鋰離子<------0.5個 (+2) 價鋰離子 + 0.5個 (+1) 價鋰離子 + 0.5個電子

兩邊乘以2,得:

2個 (+1) 價鋰離子<------1個(+2)價鋰離子 + 1個 (+1) 價鋰離子 + 1個電子

再簡化:

1個 (+1) 價鋰離子<------1個(+2)價鋰離子 + 1個電子

這個公式其實是描述整體反應(yīng),而不是描述單個個體反應(yīng)的。用簡單的話來說就是:

正極的(+1/(1-x))價(其中,0

負(fù)極的鋰原子失去電子,被氧化為(+1)價鋰離子,電子從負(fù)極流入負(fù)載回路,鋰離子通過電解質(zhì)流向正極;

又回到電池基本原理了吧。正極的核心是 (+1/(1-x)) 價鋰離子,負(fù)極核心是鋰原子,兩者反應(yīng)生成 (+1)價鋰原子,氧化還原反應(yīng)中的電子流動形成電流。

在現(xiàn)實中制作電池時,總需要物質(zhì)來承載正極的鋰離子和負(fù)極的鋰原子,就好像貨物總是需要貨架的。那么鋰離子的貨架就是 鈷酸根 離子,與鋰離子共同構(gòu)成正極;負(fù)極的鋰原子則由帶孔石墨等材料構(gòu)成,不至于反應(yīng)后,把負(fù)極反應(yīng)沒了。正極和負(fù)極之間是電解質(zhì)和隔膜,既用于鋰離子流動,也用于隔離正負(fù)極,防止內(nèi)部短路。

為什么要講鋰離子電池的基本工作原理和結(jié)構(gòu)?后面談鋰電池充電、放電截至電壓和過充、過放的危害時會用到。

鋰離子電池特性

用戶最關(guān)心的鋰離子電池的特性是電容量,比如常說的 2000mAh,指的是在鋰電池在正常工作情況下所能放出的電荷數(shù)。我們看一份鋰離子電池的規(guī)格說明書:

這塊電池比較重要的幾個參數(shù):

容量 :2500 mAh

充電截止電壓:4.2 V

放電截止電壓:2.5 V

最大充電電流:4000 mA

最大放電電流:20000 mA

總之都是圍繞電池容量和充放電來考慮的。電池容量取決于負(fù)極能放出多少電子以及正極能吸收多少電子。

為什么會有充電截止電壓呢,換句話來說,過壓充電后會有什么問題?在前面描述鋰離子電池結(jié)構(gòu)時提到,負(fù)極是由石墨和鋰原子組成的,其實鋰并不是以原子形態(tài)存在的,而是以鋰離子形態(tài)和石墨共存的。過壓充電后,鋰離子會析出為晶體狀鋰,無法參與充放電,導(dǎo)致電池容量減少。

為什么會有放電截至電壓呢,換句話說,放電過度后會有什么問題?過度放電后,負(fù)極中的鋰離子大量流向正極,導(dǎo)致石墨空虛,部分區(qū)域發(fā)生坍塌,無法再存放鋰離子,也會導(dǎo)致電池容量減少。

具體到一個鋰電池,它的容量在不同放電電流和溫度下也是不同的,且隨充放電周期數(shù)增多而減少。下面是某型號鋰離子電池溫度和電池容量的關(guān)系:

下面是某型號鋰離子電池放電電流和電池容量的關(guān)系:

鋰離子電池 充電

鋰離子電池的充電管理,主要是保證充電電流不能過大,不能過充,溫度合適,還要盡可能地提高充電速度。下面是一份鋰離子電池充電過程中電壓、電流和容量的變化關(guān)系圖:

以 0.7C 電流恒流充電,至電壓升至充電截止電壓 4.2V

以充電截止電壓 4.2V 恒壓充電,至電流降低到 55mA

這里有幾個重要參數(shù):

恒流充電電流

恒壓充電電壓

充電截止電流(充電完成的標(biāo)志)

恒流充電電壓是固定的,絕對不可以隨便修改。恒流充電電流只要不超過最大充電電流即可,其大小會影響充電速度。充電截止電流可以自由調(diào)節(jié),其大小會影響電池充入的電量和充電時間。

鋰離子電池放電

鋰離子電池放電時,主要是注意放電電流不要過大和不過度放電就行了。

鋰離子電池電量檢測

鋰離子電池電量檢測的核心問題是獲取剩余電量和總?cè)萘?以提示用戶剩余充電時間和剩余放電時間,為用戶合理安排時間提供依據(jù)。

現(xiàn)在大多數(shù)設(shè)備為了簡化設(shè)計,用電池電壓來判斷剩余電量,在要求不嚴(yán)格的場合可以接受,但是是一種不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)男袨?。電池在同一剩余電量狀態(tài)下,當(dāng)處于不同溫度、不同放電電流時,電壓時不同的。較為嚴(yán)謹(jǐn)?shù)淖龇ㄊ墙y(tǒng)計電量。

一塊新電池安裝在設(shè)備上后,必須經(jīng)歷一次完整的放電或完整的充電。這樣做是考慮到了兩點:獲取電池總?cè)萘亢瞳@取當(dāng)前剩余電量。

從無電到充滿電,檢測充入電荷數(shù),得到總?cè)萘?/p>

放電一段時間,當(dāng)前電量 = 前電量- 放電量

充電一段時間,當(dāng)前電量 = 前電量 + 充電量

有了當(dāng)前電量,再加上當(dāng)前充電或放電電流,就可以預(yù)算剩余充電時間和放電時間;還可以結(jié)合總?cè)萘?提供電量百分比信息。

2018中國（鄭州）新能源汽車產(chǎn)業(yè)生態(tài)大會火熱招商中！

2018中國（鄭州）新能源汽車產(chǎn)業(yè)生態(tài)大會將于5月11日-12日在鄭州舉行。本屆大會以“新能源汽車2.0時代”為主題，圍繞政策2.0、運營商2.0、乘用車2.0、售后服務(wù)2.0、整車開發(fā)2.0、動力電池2.0、零部件2.0展開?；诖藭R聚身處“新能源汽車2.0時代”的產(chǎn)業(yè)鏈各方人士，共商新能源汽車發(fā)展大計！。>>>