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到底是什么限制了鋰電池的充電速度?

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到底是什么限制了鋰電池的充電速度?

發布日期:2021-06-26 作者:百耐信科技 點擊:

                                                                                                                 到底是什么限制了鋰電池的充電速度?

歸根結底還是材料和技術,前面有提到過。鋰離子并不是以原子的形態存在的,需要和石墨共存。鋰電池充滿電的過程是鋰離子游走在正負極之間通過攜帶電離子和釋放電離子來實現鋰電池的存放電的功能。這些是需要一定反應時間,過快的充電會使鋰電池發生異常反應產生結晶,并且在充電時如果超過電池耐受的充電速度,會使得鋰電池內阻增大,從而使電池產生過高的溫度發生危險。

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在電池行業的領域,通常會用充放電倍率來描述充電速度和電流大小的關系,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,Z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Z大充電速率有瓶頸之外,不同SOC(State of Charge,即荷電狀態,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,充電的速率會遵循慢——快——慢這樣的節奏。一般當SOC達到90%以上的時候,電池的內阻就會明顯上升,使得充電速率放慢。


所以如果你是一個電動車用戶,想要盡可能節約充電耗時的話,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就足夠了。除了電池本身的瓶頸之外,外圍的充電設備也有自身的限制。


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,電池內部鋰離子的擴散速度跟不上電子擴散速度,就會導致電子-離子運脫節,影響電池性能,能夠達到的充電容量也相應減少,電池的壽命就更是慘不忍睹了,甚至會有起火爆炸的危險。


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,并且鋰電池慢充更安全。



在充電時,鋰電池內部的鋰離子的擴散速度,和溫度、正極材料和結構密切相關。


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生沉積,從而造成電池內部短路,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,而后兩者也是當下性能Z好、應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。


鋰離子電池基本工作原理和結構


電池的基本原理:正極發生還原反應,得電子;負極發生氧化反應,失電子。電子經過負載,由負極流向正極,形成方向從正極到負極的電流。


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,而不是描述單個個體反應的。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,兩者反應生成 (+1)價鋰原子,氧化還原反應中的電子流動形成電流。


在現實中制作電池時,總需要物質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,與鋰離子共同構成正極;負極的鋰原子則由帶孔石墨等材料構成,不至于反應后,把負極反應沒了。正極和負極之間是電解質和隔膜,既用于鋰離子流動,也用于隔離正負極,防止內部短路。


為什么要講鋰離子電池的基本工作原理和結構?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Z關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。我們看一份鋰離子電池的規格說明書:


這塊電池比較重要的幾個參數:


容量 :2500 mAh


充電截止電壓:4.2 V


放電截止電壓:2.5 V


Z大充電電流:4000 mA


Z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構時提到,負極是由石墨和鋰原子組成的,其實鋰并不是以原子形態存在的,而是以鋰離子形態和石墨共存的。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,導致石墨空虛,部分區域發生坍塌,無法再存放鋰離子,也會導致電池容量減少。



本文網址:http://www.elsgl.com/news/940.html

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