鉅大LARGE | 點擊量：1258次 | 2018年11月03日
還沒突破的鋰電池快充技術
一般快充的定義為在短時間內(nèi)可以給電池充入大量電能，而對具體充電時間和電池荷電狀態(tài)沒有統(tǒng)一的規(guī)定。根據(jù)早期美國加州空氣資源委員會（CARB）的規(guī)定，電動汽車快速充電時間為10min（6C）。對電動汽車行業(yè)而言，快充指可以在數(shù)十分鐘，乃至幾分鐘內(nèi)將電池充滿，區(qū)別于慢充的7—8h充電。
我們首先要了解下“標稱電流”與“標稱電壓”這兩個概念。標稱電流是某電子產(chǎn)品的最大負荷電流。無論任何電源都有一定的內(nèi)阻，因此當電源輸出電流的時候，會在內(nèi)部產(chǎn)生壓降，這個壓降等于輸出電流乘以電源內(nèi)阻。
內(nèi)阻的存在會產(chǎn)生兩個問題，一個是產(chǎn)生熱量，等于輸出電流的平方乘以內(nèi)阻；另一個是當電源連接負載后，其輸出電壓變?yōu)榭蛰d電壓減去內(nèi)部壓降，而達到輸出電壓就是標稱電壓。
通常的電源設計在考慮散熱問題之后，一般限制一個電流值，當輸出電流達到這個值得時候，輸出電壓降低為標稱電壓的95%，或者其他比例，各廠家根據(jù)負載產(chǎn)品的不同需要，可以設定更高或者更低的比例，這個電流值就是標稱電流。
想必生活中我們大家也都有類似的經(jīng)驗：當自己不采用標配充電器對手機，電動車等充電，大多數(shù)情況將會延長充電時間，這充分說明，充電速度還與充電適配器提供的電流和電壓有關。研究人員分別測了幾種充電器的三星GalaxyS6edge是一個典型代表，它使用了標配的支持快速充電的充電器進行測試時僅需要37分鐘就可以完成測試，使用5V/2.1A充電器時間延長到49分鐘，而使用蘋果的5V/1A充電器時間延長到107分鐘。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
使用支持快速充電的標配充電器，比起使用5V/1A的充電器充電時間縮短為三分之一；2000mAh的鋰離子電池大概是7.4Wh，使用5V*2A也就是10W的電源適配器充電，理想情況下45分鐘即可充滿。9V*2A=18W>10W=5V*2A，所以9V/2A的電源適配器比5V/2A的電源適配器快。
由此可見，在同一電壓下，隨著電流密度的減小，充電時間是增加的；而在相同電流密度下，電壓越高，功率越大，充電時間越快?？傊覀兊某潆娺m配器要與充電設備相匹配，才能滿足一定條件的“快充”。
所謂匹配，可以從功率匹配、電壓匹配、電流匹配：
①功率匹配。按照能量守恒定律，輸入功率=輸出功率，但由于電源內(nèi)阻的存在，輸出功率=輸入功率-內(nèi)阻發(fā)熱功率，這樣輸出功率就會變小。電源的標稱功率就是指的減去內(nèi)阻功率后的這個功率。根據(jù)電功率=電流*電壓的公式，我們就知道了在功率匹配過程中，必須要考慮電壓和電流的匹配，兩者缺一不可。
②電壓匹配。電源和用電設備在設計時，對電壓的要求都有一個范圍，以標稱電壓為準，容許上下有一定的偏差幅度，只要在這個幅度內(nèi)，即為匹配，大于或小于這個幅度，即為不匹配。所以在前面的敘述中，都是討論電壓一樣的情況下，電流的大小對充電速度的影響，沒有這個前提條件，也就無法討論。
③電流匹配。電壓一定的情況下，功率的大小就由電流的大小決定了。
歐姆定律告訴我們：電壓=電阻*電流，即電壓一定時，電阻和電流成反比；電阻一定時：電壓和電流成正比。如果我們把負載設備看成一個電阻，那它就有了等效電阻，一般來講這個等效電阻也是一定的。那么用電功率=電流的平方*電阻這個公式，就更一目了然了。這樣我們的問題就簡單了，對于用電器來講，在輸入功率、輸入電壓一定的條件下，決定它工作電流大小的，是它自身的等效電阻和電源的內(nèi)阻；而在輸入功率、輸入電壓、等效電阻一定的條件下，電流也近似于固定。這時只要電源的標稱電流大于或等于這個固定電流，相互之間就達到了合適的匹配度。
所以，原裝產(chǎn)品之間最匹配，因為在設計時已經(jīng)考慮到設備和周邊配件的各種情況。如果沒有原配時，只要你的負載設備，在電源標稱電流之內(nèi)，那就是安全的、匹配的.
鋰離子電池，實現(xiàn)快速充電，短時間內(nèi)內(nèi)阻升高較小是可行的，而隨著壽命的衰減，電池的內(nèi)阻升高導致功率下降，使得電池充電能力下降，并且升溫過高導致壽命加速衰減。無論是純電動汽車還是電動自行車，目前充電難、充電時間長等技術性問題仍然是限制其推廣和發(fā)展的“攔路虎”，充電設施不能充分滿足需求的條件下，核心問題轉(zhuǎn)戰(zhàn)了到“快充技術”，因而“快充”便成了很多廠家市場推廣的“亮點”。筆者個人認為，鋰電池“快充”雖好，但安全把控不可忽視。鋰電的快充問題需要從兩個層次進行分析。
從電芯層面而言，鋰離子電池的倍率性能一方面受到正極、電解液、負極電極材料搭配體系本征傳輸特性的制約，另一方面極片工藝和電芯結(jié)構設計也對倍率性能有較大的影響。
但是從最本征的載流子傳導與輸運行為而言，鋰電并不適合“快充”。鋰電體系的本征載流子傳導與輸運行為，取決于正負極材料的電導與鋰離子擴散系數(shù)，以及有機電解液的電導率這幾個主要因素?；谇度胧椒磻獧C理，鋰離子在正極材料(一維離子通道的橄欖石，二維通道的層狀材料和三維通道的尖晶石正極材料)和負極石墨負極材料(層狀結(jié)構)中的擴散系數(shù)普遍比水系2次電池中的異相氧化還原反應的速率常數(shù)低幾個數(shù)量級。
而且，有機電解液的離子電導率比水系2次電池電解液(強酸或者強堿)低兩個數(shù)量級。鋰電的負極表面有一層SEI膜，實際上鋰電的倍率性能很大程度上受到鋰離子在SEI膜中擴散的控制。由于有機電解液中粉末電極的極化相對水系要嚴重得多，在高倍率或者低溫條件下負極表面容易析鋰而引發(fā)電池內(nèi)部短路的安全隱患。
另外，在大倍率充電條件下，正極材料的晶格容易受到破壞，負極石墨片層同樣也可能受到損害，這些因素都將加速容量的衰減，從而嚴重影響動力電池使用壽命。因此，嵌入式反應的本質(zhì)特征決定了鋰離子電池并不適合高倍率充電。研究結(jié)果已經(jīng)證實，快充快放模式下單體電池的循環(huán)壽命將大幅下降，并且在使用后期電池性能會顯著衰減。
鋰離子電池的充電過程如圖1，包括：a.在外加負載作用下，鋰離子從正極材料脫出進入電解液；b.鋰離子在電解液中的擴散；c.鋰離子嵌入負極材料，并伴隨著一系列的電子運動。也就是說快充要實現(xiàn)上述3個過程?？斐滗囯x子電池材料體系選擇決定其快充能否實現(xiàn)，并最大限度保證快充安全性?？斐浞椒ǖ脑O計是實現(xiàn)快充的必要途徑，最后由快充電池的電池管理系統(tǒng)（BMS）的設計直接決定快充電池的應用。
當然，有讀者可能會說，鈦酸鋰(LTO)電池不是可以大倍率充放電嗎?鈦酸鋰的倍率性能可以從其晶體結(jié)構和離子擴散系數(shù)得到解釋。但是，鈦酸鋰電池的能量密度很低（達50~70Wh/kg），其功率型用途是依靠犧牲能量密度取得的，這就導致了鈦酸鋰電池單位能量成本很高，低性價比決定了鈦酸鋰電池不可能成為鋰電發(fā)展的主流。事實上，日本東芝SCiB電池這幾年低迷的銷售態(tài)勢已經(jīng)說明了問題。
在電芯層面，可以從設計理念先進、極片工藝制造水平和電芯結(jié)構設計角度來改善倍率性能，比如將電極做得比較薄或者增加導電劑比例等措施都是常用的技術手段。更有甚者，有些廠家采用取消電芯中的熱敏電阻并且加厚集流體這樣的極端辦法。而事實上，國內(nèi)很多動力電池公司都將其LFP動力電池在30C甚至50C的高倍率數(shù)據(jù)作為技術亮點。一般電池的單體能達4~5C的充放電倍率，充電方式主要在站內(nèi)10~30min完成充電。
筆者這里要指出的是，作為測試手段無可厚非，但是電芯內(nèi)部到底發(fā)生了哪些變化才是關鍵。長時間高倍率充放，也許正負極材料結(jié)構已經(jīng)被破壞，負極早已析鋰，這些問題需要使用一些原位的檢測手段才能搞清楚。很遺憾的是，這些原位檢測手段在國內(nèi)電池企業(yè)幾乎沒有應用的報道。
筆者這里還要提醒讀者注意鋰電充電和放電過程的區(qū)別，與充電過程不同的是，鋰電在較高的倍率下放電對電池造成的損害并沒有快充那么嚴重，這點跟其它水系2次電池類似。
但是對包括電動汽車在內(nèi)的實際使用而言，高倍率充電的需求無疑要比大電流放電更加迫切。
上升到電池組的層面則情況將更加復雜，在充電過程中不同單體電池的充電電壓和充電電流并不一致，必然造成動力電池的充電時間要超過單體電池。
這就意味著雖然采用常規(guī)充電技術也能在30min內(nèi)將單體電池充電至容量的一半，但電池組肯定會超過這一時間，這在一定程度上意味著快速充電技術的優(yōu)勢并不是十分明顯。
此外，在鋰離子電池的使用過程中，其容量的消耗與放電時間并不是線性關系，而是隨時間加速下降。比如某款電動汽車滿電的行駛里程為200km，那當它正常行駛100km后，動力電池可能還剩下80%的容量，當電池容量剩下50%時，電動汽車也許就只能夠行駛50km了。
鋰離子電池的這種特性告訴我們，僅僅將動力電池的電量充到一半或者80%，是完全不能夠滿足電動汽車實際使用需要的。
如Tesla宣傳較多的快速充電技術，目前采用超級充電樁充電，20min就可以充進50%電量（可行駛200km）；未來會把充電時間減少到5~10min（續(xù)航里程超過400km）。近日，StoreDot以色列公司宣布成功研發(fā)出一種汽車超級充電技術，包括電池組和專用充電樁?？稍?min內(nèi)為電動汽車補充能夠續(xù)航480km的電量，這與傳統(tǒng)汽車加滿一箱油的時間相差無幾。這種快速充電電池內(nèi)部的電阻非常小，充電過程中產(chǎn)生的熱量非常少，其壽命是普通鋰電池的3倍左右，造價僅鋰電高出20%~30%。
采用的導電聚合物和金屬氧化物做電池材料，這種多功能電極前者允許電池接受快速充電，后者用來把迅速聚合的鋰離子慢慢流進電極，一快一慢的過程不僅保證充電的快速性，而且還避免了電極崩潰以及壽命變短。在筆者看來其實也是大過實用的噱頭，快充必將嚴重惡化電池的使用壽命和性能，并且?guī)戆踩[患。同樣，鋰電自行車用快充方式充電，勢必嚴重影響其電池的壽命與性能。
超快充純電動公交車采用雙電層超級電容作為主要動力，利用地面中間快充電站在30s內(nèi)完成充電，采用高比功率的快充電池作為車輛的備用電源，利用地面收尾電站在10min內(nèi)完成充電。
既然鋰電本質(zhì)上就不適合快充，那么理論上而言換電模式可以彌補其快充缺點。換電式純電動公交車的續(xù)行李成一般在100km左右，充電方式主要是依靠地面建立換電站，在站內(nèi)給備用電池充電，運營過程中車輛駛?cè)霌Q電站實現(xiàn)電池的快速更換。
主要問題是換電站的建設投資成本高，需配置額外的電池模組，車輛對于電池模塊安裝一致性的要求較高。雖然將動力電池設計成可插拔式會帶來整車結(jié)構強度問題以及電氣絕緣方面的難題，而且還有電池標準和借口的超級難題，但筆者個人認為，這個模式不失為解決鋰電快充難題的一個技術上(僅僅是在技術層面上而言)比較可行的辦法。
在筆者看來，電動汽車“電池租賃+換電模式”之所以在全球范圍內(nèi)都還未有成功的先例，除了消費習慣的問題(車主認為電池跟車一樣都是其私有財產(chǎn)),主要障礙在于隱藏于技術標準背后的巨大利益分配問題。在高度市場化的西方國家，解決這個問題的難度要比在中國大得多。筆者個人認為，電動汽車的換電模式未來在我國公交汽車和出租車這兩個純電動汽車集中使用的領域，有可能會有較大的發(fā)展空間。同樣，電動自行車的換電模式也可以大面積推廣。
目前快充鋰離子動力電池的應用主要集中在電動高能公交車領域。以CATL、微宏公司、珠海銀隆和盟固利為首，成為快充電池領域的佼佼者。通過對小營快充電池（采用盟固利快充動力電池）進行返廠檢測，從容量衰減上來看，小營快充電池在運行14個月的時間里容量衰減率為5.2%（詳情見表1），相當于第1年運行的衰減率在4.5%左右。
理論上講電池的容量衰減在最初的階段幅度最大，后期逐步平緩，因此基本可以判斷，小營快充項目的電池可以保證5年容量保持率在80%以上
個人認為，采用超級電容為主動力、快充鋰電池為輔助電池的技術路線，避免了快充鋰電池的峰值充放電，改善電池使用工況，相比單純使用快充鋰電池作為動力，其使用大大延長。
盡管目前快充鋰離子動力電池的應用還處于小范圍使用階段，快充模式為純電動公交車運行帶來了極大的便利，首先電池組配置容量減少，降低了成本；其次，隨著搭載電池的體積和重量的減少，提高了車輛的空間使用率和安全性，快充也大大縮短了充電時間，增加了運營收益。
但快充技術的全面推廣和應用還面臨著種種問題，比如大電流充電對局部電網(wǎng)要求較高，快充電池續(xù)航里程少、國家補貼幅度小、無法達到免購置稅條件增加了購車成本，快充用大功率充電樁技術標準尚未統(tǒng)一、兼容性政策尚未出臺。這些都限制了快充動力電池的用。
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