動力電池的充電速度受什么限制？詳解鋰離子電池基本工作原理和結(jié)構(gòu)
來源：寶鄂實業(yè)
2019-04-07 08:37
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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、負極材料、隔膜、電解液等，充電的過程，基本上就是鋰離子從負極脫出，穿過隔膜和電解質(zhì)，擴散到達正極的過程——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。
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;負極發(fā)生氧化反應(yīng)，失電子。電子經(jīng)過負載，由負極流向正極，形成方向從正極到負極的電流。
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
負極的鋰原子失去電子，被氧化為(+1)價鋰離子，電子從負極流入負載回路，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，把負極反應(yīng)沒了。正極和負極之間是電解質(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?shù)男袨椤ｋ姵卦谕皇Ｓ嚯娏繝顟B(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?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?/div>
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?/div>
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