动力电池的充电速度受什么限制？锂离子电池基本工作原理和结构

在讨论动力电池充电速度的时候,电池本身的承受能力绝对是最无法绕过的一个因素。无论外围的充电设备有多牛、功率有多大、充电能力有多强,如果电池本身在能够接受的充电能力方面有短板,那么充电速度肯定就快不起来。加上电池容量又比较大的话,自然充电时间就长了。

如果你高中学过电化学方面的知识的话,就会了解动力电池充放电的过程,本质就是电池内部通过一系列的氧化还原反应,来实现电子在正极和负极之间定向转移。以当下主流的锂电池为例,虽然种类五花八门,但是大体的构造无外乎包括正极材料、负极材料、隔膜、电解液等,充电的过程,基本上就是锂离子从负极脱出,穿过隔膜和电解质,扩散到达正极的过程——扩散速度自然就成了充电速度的关键。

理论上,的确可以通过加大电流来提升充电速度。但是电流太大的话,电池内部锂离子的扩散速度跟不上电子扩散速度,就会导致电子-离子运脱节,影响电池性能,能够达到的充电容量也相应减少,电池的寿命就更是惨不忍睹了,甚至会有起火爆炸的危险。

所以一般来说,在不赶时间的情况下我们建议尽量用慢充,有利于延长电池的寿命。

而锂离子的扩散速度,和温度、正极材料和结构密切相关。

首先是温度,一般来说温度越高自然是扩散速度越快,但是温度过高的话也会导致电池寿命降低、充电安全性下降等问题。温度过低的话同样不行,气温过低的情况下,电池中的金属锂会发生沉积,从而造成电池内部短路,尤其是磷酸铁锂电池。一般0℃时磷酸铁锂电池的容量大概只剩下60～70%左右,到了-20℃时就只剩下可怜的20～40%了。所以在气候寒冷的北方冬季,电动车必须要有给电池模组加热的功能,由此耗电自然也更快。

其次是材料,不同的材料扩散能力差距非常大,像钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、NCM、NCA等都是性能很不错的正极材料,而后两者也是当下性能最好、应用普及度比较高的两种材料了。这也是如今的锂电池以正极材料命名的一个重要原因。

在电池行业的领域,通常会用充放电倍率来描述充电速度和电流大小的关系,譬如1小时充满电池时的速率称为1C,只需30分钟的速率则称之为2C,如此类推,超过1C就可以称为快充。如今锂离子电池的充电速率普遍可以做到1C-3C,最高大概可以去到5C,但是相比起动辄10C的放电速率自然还是要差很远。

除了最大充电速率有瓶颈之外,不同SOC(State of Charge,即荷电状态,也就是剩余电量)下电池能够承受的充电速率也是有差别的。一般来说,电池在充电过程的特性大致和上面这张图类似,充电的速率会遵循慢——快——慢这样的节奏。一般当SOC达到90%以上的时候,电池的内阻就会明显上升,使得充电速率放慢。如果你有留意当下在售的大部分电动车,都会发现它们会宣传自己在特定的快充状态下,能够在一个相对比较短的时间——例如1小时乃至30分钟的时间里,充满一个大比例的电量,一般在80%-90%左右,就是这个意思。

所以如果你是一个电动车用户,想要尽可能节约充电耗时的话,尽量不要动辄把电量用到10%以下,充电的时候也不一定非要充满,达到90%以上,或者能够满足你下一次出行需要的里程数就足够了。

充电设备的充电速度受什么限制?

除了电池本身的瓶颈之外,外围的充电设备也有自身的限制。简单来讲,充电桩输出功率越大,充电时间越短。但是充电桩也不是可以无限提高充电功率的。先来说下电动汽车的充电大体是一个什么样的过程。

一说到汽车充电,大家首先想到的自然就是充电桩。简单来讲,充电桩输出功率越大、电池容量越小,充电时间自然越短。这就和要把一个水池放满水,放水管越大、水池越小自然耗时越短是一个道理。不过作为电动车用户,当然希望自己的电池容量也足够大,所以提升充电桩功率自然是更应该做的。车用的充电桩一般分为交流充电桩、直流充电桩两种。我们分开两种情况来讲。

先讲普适性比较强的交流充电桩。它多采用和家用电压大小一样的220V交流充电,一般电流只有16A或者32A,充电速度相对比较慢,在电池容量20kwh左右的情况下,要大概6-8个小时才能够充满电。

锂离子电池基本工作原理和结构

电池的基本原理:正极发生还原反应,得电子;负极发生氧化反应,失电子。电子经过负载,由负极流向正极,形成方向从正极到负极的电流。

介绍锂离子电池的工作原理时,以应用较为广泛的 18650 锂离子电芯为例,下面是发生的化学反应示意图和公式:

先看放电过程中正极的反应(钴酸根先拿掉)。

1个 (+1)价锂离子<------ (1-x) 个 (+1/(1-x)) 价锂离子 + x个 (+1) 价锂离子 + x个电子

令 x=0.5,得:

1个 (+1) 价锂离子<------0.5个 (+2) 价锂离子 + 0.5个 (+1) 价锂离子 + 0.5个电子

两边乘以2,得:

2个 (+1) 价锂离子<------1个(+2)价锂离子 + 1个 (+1) 价锂离子 + 1个电子

再简化:

1个 (+1) 价锂离子<------1个(+2)价锂离子 + 1个电子

这个公式其实是描述整体反应,而不是描述单个个体反应的。用简单的话来说就是:

正极的(+1/(1-x))价(其中,0

负极的锂原子失去电子,被氧化为(+1)价锂离子,电子从负极流入负载回路,锂离子通过电解质流向正极;

又回到电池基本原理了吧。正极的核心是 (+1/(1-x)) 价锂离子,负极核心是锂原子,两者反应生成 (+1)价锂原子,氧化还原反应中的电子流动形成电流。

在现实中制作电池时,总需要物质来承载正极的锂离子和负极的锂原子,就好像货物总是需要货架的。那么锂离子的货架就是 钴酸根 离子,与锂离子共同构成正极;负极的锂原子则由带孔石墨等材料构成,不至于反应后,把负极反应没了。正极和负极之间是电解质和隔膜,既用于锂离子流动,也用于隔离正负极,防止内部短路。

为什么要讲锂离子电池的基本工作原理和结构?后面谈锂电池充电、放电截至电压和过充、过放的危害时会用到。

锂离子电池特性

用户最关心的锂离子电池的特性是电容量,比如常说的 2000mAh,指的是在锂电池在正常工作情况下所能放出的电荷数。我们看一份锂离子电池的规格说明书:

这块电池比较重要的几个参数:

容量 :2500 mAh

充电截止电压:4.2 V

放电截止电压:2.5 V

最大充电电流:4000 mA

最大放电电流:20000 mA

总之都是围绕电池容量和充放电来考虑的。电池容量取决于负极能放出多少电子以及正极能吸收多少电子。

为什么会有充电截止电压呢,换句话来说,过压充电后会有什么问题?在前面描述锂离子电池结构时提到,负极是由石墨和锂原子组成的,其实锂并不是以原子形态存在的,而是以锂离子形态和石墨共存的。过压充电后,锂离子会析出为晶体状锂,无法参与充放电,导致电池容量减少。

为什么会有放电截至电压呢,换句话说,放电过度后会有什么问题?过度放电后,负极中的锂离子大量流向正极,导致石墨空虚,部分区域发生坍塌,无法再存放锂离子,也会导致电池容量减少。

具体到一个锂电池,它的容量在不同放电电流和温度下也是不同的,且随充放电周期数增多而减少。下面是某型号锂离子电池温度和电池容量的关系:

下面是某型号锂离子电池放电电流和电池容量的关系:

锂离子电池 充电

锂离子电池的充电管理,主要是保证充电电流不能过大,不能过充,温度合适,还要尽可能地提高充电速度。下面是一份锂离子电池充电过程中电压、电流和容量的变化关系图:

以 0.7C 电流恒流充电,至电压升至充电截止电压 4.2V

以充电截止电压 4.2V 恒压充电,至电流降低到 55mA

这里有几个重要参数:

恒流充电电流

恒压充电电压

充电截止电流(充电完成的标志)

恒流充电电压是固定的,绝对不可以随便修改。恒流充电电流只要不超过最大充电电流即可,其大小会影响充电速度。充电截止电流可以自由调节,其大小会影响电池充入的电量和充电时间。

锂离子电池放电

锂离子电池放电时,主要是注意放电电流不要过大和不过度放电就行了。

锂离子电池电量检测

锂离子电池电量检测的核心问题是获取剩余电量和总容量,以提示用户剩余充电时间和剩余放电时间,为用户合理安排时间提供依据。

现在大多数设备为了简化设计,用电池电压来判断剩余电量,在要求不严格的场合可以接受,但是是一种不严谨的行为。电池在同一剩余电量状态下,当处于不同温度、不同放电电流时,电压时不同的。较为严谨的做法是统计电量。

一块新电池安装在设备上后,必须经历一次完整的放电或完整的充电。这样做是考虑到了两点:获取电池总容量和获取当前剩余电量。

从无电到充满电,检测充入电荷数,得到总容量

放电一段时间,当前电量 = 前电量- 放电量

充电一段时间,当前电量 = 前电量 + 充电量

有了当前电量,再加上当前充电或放电电流,就可以预算剩余充电时间和放电时间;还可以结合总容量,提供电量百分比信息。

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