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[其他] 充电五分钟,蹦跶一整天:快充电池是这么回事儿

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凝固freezeぁ 发表于 2016-10-15 07:11:31
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编者按: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 1 hour.”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
   ( 如何通俗的理解锂离子电池倍率越大容量越小? - 土豆泥的回答 )
   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:
   
充电五分钟,蹦跶一整天:快充电池是这么回事儿-1 (capacity,relative,battery,current,entire)

  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》。 钛酸锂电池概念大热,用在电动汽车上的优缺点到底是啥?

充电五分钟,蹦跶一整天:快充电池是这么回事儿-2 (capacity,relative,battery,current,entire)

  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。
  快充电池,对于电池各部分的要求?

  如果电池想要快充,对于其功率相关的性能要求也就更高。而对于电池来说,如果要提升功率性能,需要在电池整体的各个环节中都下功夫,主要包括正极、负极、电解液、隔膜和结构设计等。
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xiaobo425 发表于 2016-11-2 05:24:15
时间过的真快,一不留神我也抢了回沙发!
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我欲封天 发表于 2016-11-2 07:54:53
顶起凝固freezeぁ
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gjfaiwow 发表于 2016-11-18 20:42:45
楼下有什么好吐槽的么?
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