到底是什么限制了锂电池的充电速度?

2020-10-15 16:51 ryder


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,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。
 
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。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。
 
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,并且锂电池慢充更安全。
 
 
在充电时,锂电池内部的锂离子的扩散速度,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。
 
 
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。
 
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:
 
 
到底是什么限制了锂电池的充电速度?
 
归根结底还是材料和技术,前面有提到过。锂离子并不是以原子的形态存在的,需要和石墨共存。锂电池充满电的过程是锂离子游走在正负极之间通过携带电离子和释放电离子来实现锂电池的存放电的功能。这些是需要一定反应时间,过快的充电会使锂电池发生异常反应产生结晶,并且在充电时如果超过电池耐受的充电速度,会使得锂电池内阻增大,从而使电池产生过高的温度发生危险。

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