锂电池快充技术还未真正突破

一般快充的定义为在短时间内可以给电池充入大量电能，而对具体充电时间和电池荷电状态没有统一的规定。根据早期美国加州空气资源委员会（CARB）的规定，电动汽车快速充电时间为10min（6C）。对电动汽车行业而言，快充指可以在数十分钟，乃至几分钟内将电池充满，区别于慢充的7—8h充电。

 

我们首先要了解下“标称电流”与“标称电压”这两个概念。标称电流是某电子产品的最大负荷电流。无论任何电源都有一定的内阻，因此当电源输出电流的时候，会在内部产生压降，这个压降等于输出电流乘以电源内阻。

 

内阻的存在会产生两个问题，一个是产生热量，等于输出电流的平方乘以内阻；另一个是当电源连接负载后，其输出电压变为空载电压减去内部压降，而达到输出电压就是标称电压。

 

通常的电源设计在考虑散热问题之后，一般限制一个电流值，当输出电流达到这个值得时候，输出电压降低为标称电压的95%，或者其他比例，各厂家根据负载产品的不同需要，可以设定更高或者更低的比例，这个电流值就是标称电流。

 

想必生活中我们大家也都有类似的经验：当自己不采用标配充电器对手机，电动车等充电，大多数情况将会延长充电时间，这充分说明，充电速度还与充电适配器提供的电流和电压有关。研究人员分别测了几种充电器的三星Galaxy S6 edge是一个典型代表，它使用了标配的支持快速充电的充电器进行测试时仅需要37分钟就可以完成测试，使用5V/2.1A充电器时间延长到49分钟，而使用苹果的5V/1A充电器时间延长到107分钟。

 

使用支持快速充电的标配充电器，比起使用5V/1A的充电器充电时间缩短为三分之一；2000mAh的锂离子电池大概是7.4Wh，使用5V*2A也就是10W的电源适配器充电，理想情况下45分钟即可充满。9V*2A=18W > 10W=5V*2A，所以9V/2A的电源适配器比5V/2A的电源适配器快。

 

由此可见，在同一电压下，随着电流密度的减小，充电时间是增加的；而在相同电流密度下，电压越高，功率越大，充电时间越快。总之，我们的充电适配器要与充电设备相匹配，才能满足一定条件的“快充”。

 

所谓匹配，可以从功率匹配、电压匹配、电流匹配：

 

①功率匹配。按照能量守恒定律，输入功率=输出功率，但由于电源内阻的存在，输出功率=输入功率-内阻发热功率，这样输出功率就会变小。电源的标称功率就是指的减去内阻功率后的这个功率。根据电功率=电流*电压的公式，我们就知道了在功率匹配过程中，必须要考虑电压和电流的匹配，两者缺一不可。

 

②电压匹配。电源和用电设备在设计时，对电压的要求都有一个范围，以标称电压为准，容许上下有一定的偏差幅度，只要在这个幅度内，即为匹配，大于或小于这个幅度，即为不匹配。所以在前面的叙述中，都是讨论电压一样的情况下，电流的大小对充电速度的影响，没有这个前提条件，也就无法讨论。

 

③电流匹配。电压一定的情况下，功率的大小就由电流的大小决定了。

 

欧姆定律告诉我们：电压=电阻*电流，即电压一定时，电阻和电流成反比；电阻一定时：电压和电流成正比。如果我们把负载设备看成一个电阻，那它就有了等效电阻，一般来讲这个等效电阻也是一定的。那么用电功率=电流的平方*电阻这个公式，就更一目了然了。这样我们的问题就简单了，对于用电器来讲，在输入功率、输入电压一定的条件下，决定它工作电流大小的，是它自身的等效电阻和电源的内阻；而在输入功率、输入电压、等效电阻一定的条件下，电流也近似于固定。这时只要电源的标称电流大于或等于这个固定电流，相互之间就达到了合适的匹配度。

 

所以，原装产品之间最匹配，因为在设计时已经考虑到设备和周边配件的各种情况。如果没有原配时，只要你的负载设备，在电源标称电流之内，那就是安全的、匹配的.

 

锂离子电池，实现快速充电，短时间内内阻升高较小是可行的，而随着寿命的衰减，电池的内阻升高导致功率下降，使得电池充电能力下降，并且升温过高导致寿命加速衰减。无论是纯电动汽车还是电动自行车，目前充电难、充电时间长等技术性问题仍然是限制其推广和发展的“拦路虎”，充电设施不能充分满足需求的条件下，核心问题转战了到“快充技术”，因而“快充”便成了很多厂家市场推广的 “亮点”。笔者个人认为，锂电池“快充”虽好，但安全把控不可忽视。锂电的快充问题需要从两个层次进行分析。

 

从电芯层面而言，锂离子电池的倍率性能一方面受到正极、电解液、负极电极材料搭配体系本征传输特性的制约，另一方面极片工艺和电芯结构设计也对倍率性能有较大的影响。

 

但是从最本征的载流子传导与输运行为而言，锂电并不适合“快充”。锂电体系的本征载流子传导与输运行为，取决于正负极材料的电导与锂离子扩散系数，以及有机电解液的电导率这几个主要因素。基于嵌入式反应机理，锂离子在正极材料(一维离子通道的橄榄石，二维通道的层状材料和三维通道的尖晶石正极材料)和负极石墨负极材料 (层状结构)中的扩散系数普遍比水系2次电池中的异相氧化还原反应的速率常数低几个数量级。

 

而且，有机电解液的离子电导率比水系 2 次电池电解液(强酸或者强碱)低两个数量级。锂电的负极表面有一层SEI膜，实际上锂电的倍率性能很大程度上受到锂离子在SEI膜中扩散的控制。由于有机电解液中粉末电极的极化相对水系要严重得多，在高倍率或者低温条件下负极表面容易析锂而引发电池内部短路的安全隐患。

 

另外，在大倍率充电条件下，正极材料的晶格容易受到破坏，负极石墨片层同样也可能受到损害，这些因素都将加速容量的衰减，从而严重影响动力电池使用寿命。因此，嵌入式反应的本质特征决定了锂离子电池并不适合高倍率充电。研究结果已经证实，快充快放模式下单体电池的循环寿命将大幅下降，并且在使用后期电池性能会显著衰减。

 

图1 锂离子电池充电过程示意图

 

锂离子电池的充电过程如图1，包括：a.在外加负载作用下，锂离子从正极材料脱出进入电解液；b.锂离子在电解液中的扩散；c.锂离子嵌入负极材料，并伴随着一系列的电子运动。也就是说快充要实现上述3个过程。快充锂离子电池材料体系选择决定其快充能否实现，并最大限度保证快充安全性。快充方法的设计是实现快充的必要途径，最后由快充电池的电池管理系统（BMS）的设计直接决定快充电池的应用。

 

当然，有读者可能会说，钛酸锂(LTO) 电池不是可以大倍率充放电吗 ? 钛酸锂的倍率性能可以从其晶体结构和离子扩散系数得到解释。但是，钛酸锂电池的能量密度很低（达50~70Wh/kg），其功率型用途是依靠牺牲能量密度取得的，这就导致了钛酸锂电池单位能量成本很高，低性价比决定了钛酸锂电池不可能成为锂电发展的主流。事实上，日本东芝SCiB电池这几年低迷的销售态势已经说明了问题。

 

在电芯层面，可以从设计理念先进、极片工艺制造水平和电芯结构设计角度来改善倍率性能，比如将电极做得比较薄或者增加导电剂比例等措施都是常用的技术手段。更有甚者，有些厂家采用取消电芯中的热敏电阻并且加厚集流体这样的极端办法。而事实上，国内很多动力电池公司都将其LFP动力电池在30C甚至50C的高倍率数据作为技术亮点。 一般电池的单体能达4~5C的充放电倍率，充电方式主要在站内10~30min完成充电。

 

笔者这里要指出的是，作为测试手段无可厚非，但是电芯内部到底发生了哪些变化才是关键。长时间高倍率充放，也许正负极材料结构已经被破坏，负极早已析锂，这些问题需要使用一些原位的检测手段才能搞清楚。很遗憾的是，这些原位检测手段在国内电池 企业几乎没有应用的报道。

 

笔者这里还要提醒读者注意锂电充电和放电过程的区别，与充电过程不同的是，锂电在较高的倍率下放电对电池造成的损害并没有快充那么严重，这点跟其它水系2次电池类似。

 

但是对包括电动汽车在内的实际使用而 言，高倍率充电的需求无疑要比大电流放电更加迫切。

 

上升到电池组的层面则情况将更加复杂，在充电过程中不同单体电池的充电电压和充电电流并不一致，必然造成动力电池的充电时间要超过单体电池。

 

这就意味着虽然采用常规充电技术也能在30min内将单体电池充电至容量的一半，但电池组肯定会超过这一时间，这在一定程度上意味着快速充电技术的优势并不是十分明显。

 

此外，在锂离子电池的使用过程中，其容量的消耗与放电时间并不是线性关系，而是随时间加速下降。比如某款电动汽车满电的行驶里程为200km，那当它正常行驶100km后， 动力电池可能还剩下80%的容量，当电池容量剩下50%时，电动汽车也许就只能够行驶50km了。

 

锂离子电池的这种特性告诉我们，仅仅将动力电池的电量充到一半或者80%，是完全不能够满足电动汽车实际使用需要的。比如Tesla宣传较多的快速充电技术，目前采用超级充电桩充电，20min就可以充进50%电量（可行驶200km）；未来会把充电时间减少到5~10min（续航里程超过400km）。近日，Store Dot以色列公司宣布成功研发出一种汽车超级充电技术，包括电池组和专用充电桩。可在5min内为电动汽车补充能够续航480km的电量，这与传统汽车加满一箱油的时间相差无几。这种快速充电电池内部的电阻非常小，充电过程中产生的热量非常少，其寿命是普通锂电池的3倍左右，造价仅比锂电高出20%~30%。

 

采用的导电聚合物和金属氧化物做电池材料，这种多功能电极前者允许电池接受快速充电，后者用来把迅速聚合的锂离子慢慢流进电极，一快一慢的过程不仅保证充电的快速性，而且还避免了电极崩溃以及寿命变短。在笔者看来其实也是大过实用的噱头，快充必将严重恶化电池的使用寿命和性能，并且带来安全隐患。同样，锂电自行车用快充方式充电，势必严重影响其电池的寿命与性能。

 

超快充纯电动公交车采用双电层超级电容作为主要动力，利用地面中间快充电站在30s内完成充电，采用高比功率的快充电池作为车辆的备用电源，利用地面收尾电站在10min内完成充电。

 

既然锂电本质上就不适合快充，那么理论上而言换电模式可以弥补其快充缺点。换电式纯电动公交车的续行李成一般在100km左右，充电方式主要是依靠地面建立换电站，在站内给备用电池充电，运营过程中车辆驶入换电站实现电池的快速更换。

 

主要问题是换电站的建设投资成本高，需配置额外的电池模组，车辆对于电池模块安装一致性的要求较高。虽然将动力电池设计成可插拔式会带来整车结构强度问题以及电气绝缘方面的难题，而且还有电池标准和借口的超级难题，但笔者个人认为，这个模式不失为解决锂电快充难题的一个技术上(仅仅是在技术层面上而言)比较可行的办法。

 

在笔者看来，电动汽车“电池租赁+换电模式”之所以在全球范围内都还未有成功的先例，除了消费习惯的问题(车主认为电池跟车一样都是其私有财产), 主要障碍在于隐藏于技术标准背后的巨大利益分配问题。在高度市场化的西方国家，解决这个问题的难度要比在中国大得多。笔者个人认为，电动汽车的换电模式未来在我国公交汽车和 出租车这两个纯电动汽车集中使用的领域，有可能会有较大的发展空间。同样，电动自行车的换电模式也可以大面积推广。

 

目前快充锂离子动力电池的应用主要集中在电动高能公交车领域。以CATL、微宏公司、珠海银隆和盟固利为首，成为快充电池领域的佼佼者。通过对小营快充电池（采用盟固利快充动力电池）进行返厂检测，从容量衰减上来看，小营快充电池在运行 14个月的时间里容量衰减率为5.2%（详情见表1），相当于第1年运行的衰减率在4.5%左右。

 

表1北京小营快充纯电动项目充电时长统计

 

理论上讲电池的容量衰减在最初的阶段幅度最大，后期逐步平缓，因此基本可以判断，小营快充项目的电池可以保证 5年容量保持率在80%以上

 

个人认为，采用超级电容为主动力、快充锂电池为辅助电池的技术路线，避免了快充锂电池的峰值充放电，改善电池使用工况，相比单纯使用快充锂电池作为动力，其使用大大延长。

 

尽管目前快充锂离子动力电池的应用还处于小范围使用阶段，快充模式为纯电动公交车运行带来了极大的便利，首先电池组配置容量减少，降低了成本；其次，随着搭载电池的体积和重量的减少，提高了车辆的空间使用率和安全性，快充也大大缩短了充电时间，增加了运营收益。

 

但快充技术的全面推广和应用还面临着种种问题，比如大电流充电对局部电网要求较高，快充电池续航里程少、国家补贴幅度小、无法达到免购置税条件增加了购车成本，快充用大功率充电桩技术标准尚未统一、兼容性政策尚未出台。这些都限制了快充动力电池的应用。