电池快充的原理是什么?

电瓶车快充,会不会影响电池的寿命? 本题已加入知乎圆桌 » 新能源汽车时代,更多「新能源汽车」讨论欢迎关注。
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快充就是大电流充电~可以加快充电时间

下面我再说一下这个锂电池充电过程~~~
上图中横坐标为时间,纵坐标为锂电池电压。由于锂电池的特殊性,过压或者欠压都会导致电池报废,所以现在的锂电池充放电保护电路原理就是测量锂电池电压,再根据电压判断锂电池是否处于正常状态(非过压、非欠压)。

锂电池的充电电流如上图粉红色线所示。锂电池的充电分为三个阶段,分别是恒流预充电大电流恒流充电恒压充电

当电压低于3.0V时,充电器会采用100mA电流对锂电池进行预充电,就是上图C C Pre-charge阶段,中文名字叫恒流预冲电阶段,目的是慢慢恢复过放电的锂电池,是一种保护措施来的。合格的充电器都会有这个充电阶段。

然后与问题有关的就来了。当锂电池电压高于3.0V时,就进入到第二阶段,大电流恒流充电阶段(C C Fast charge)。由于锂电池经过第一阶段的预充,其状态已经比较稳定了(预充阶段的作用可以这样理解~但并不严谨)。所以在第二阶段,充电电流就可以适当提高,根据不同的电池来说,这个电流的大小可以从0.1C到几C不等,其中C是指电池容量,如2600mAh的锂电池,0.1C就是指260mA大小的电流。

在这一个充电阶段中,国家建议的标准充电是用0.1C电流进行充电的,这个就是标准充电。不过标准充电这个标准由于提出的时间很早,十几年前的就提出来。那时候因为锂电池技术远远不如现在稳定(不允许大电流充电),所以才会有这样一个标准~~~采用标准充电的唯一好处就是充电过程稳定,发生爆炸之类的几率非常小;缺点就是费时间!!!

而快速充电,就是指在这个阶段用大于0.1C的电流进行充电。如果锂电池容量为2600mAh,那么标准充电的电流为260mA,只要充电电流大于260mA,就可以定义为快速充电了。不过就从目前的锂电池水平与充放电管理芯片的水平来说,用1C的电流充电都没问题。所以快速充电也没有想象中的那么危险。一般快速充电的充电电流为0.2~0.8C,所以快速充电还是安全的。由于近几年来的提升,现在的充电器基本上都是快充类型的。

而锂电池充电的最后一个阶段为恒压充电阶段,这个阶段就是检测到锂电池电压等于4.2V时,充电器则进入恒压充电模式,这个阶段充电电压恒定为4.2V,充电电流则越来越小(慢慢充满了,电流肯定变小~)。当充电电流小于100mA时,就判断电池充满,切断充电电路。
这一阶段的特性,也可以解释为什么手机指示充满电后,拔出USB线再插进去,手机又显示继续充电。

另外,需要说一下的是:以上的充电是针对于单节锂电池的最理想充电过程,目前的合格锂电池充放电保护板都是这样子工作的。

电瓶车的电瓶一般有铅酸蓄电池和锂电池两种。这些电瓶都是由若干的电池成组而成的(铅酸蓄电池类型的由6个或者8个串并联组成;锂电池类型的则由若干个锂电池串并联组成)。而涉及到电池组的充电方式,这里又有另外的一个大问题了,就是电池均衡问题。关于电池均衡问题,我在这里不再详说,百度一下就可以了。我只能说目前的绝大多数电瓶车电池都没有电池均衡管理,所以这个导致了电池组的寿命远远不如单个电池的寿命,这也解释了为什么电瓶车的电池不耐用,一年左右就报废了~~~同时也解释了当前电动汽车发展的困境就是电池成组技术的限制。

简单来说结论就是:快速充电是指充电电流大于0.1C的充电方式,这种充电方式对于单个锂电池来说,对寿命与稳定性等的影响非常小;但是如果对于电瓶车电池组来说的话,快充就是用时间换取电池寿命的一种行为。

最后要说的是:使用标配充电器对电瓶车充电没问题;但是对于那些打着10分钟充满电的充电站来说,就要注意了,使用这些充电站绝对大大影响电池寿命。

另外,对于电池组来说,电池均衡意义更重要。快充对电池组的寿命有影响正是因为电池组均衡问题没有解决。
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发现这个答案的关注度上升了,原本只是想报道一下09年这两个科研大牛的口水战,反而让现在很多知友感觉云里雾里,这里献上道歉,想看结论的知友请无视文献直接下拉到底。
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最近正好阅读了相关文献,前来强答。
关于快速充放电本质的解释,最高票已经给出了答案,作为电化农,来解答一下题主的副问——电瓶车快充,会不会影响电池的寿命?
这里以锂离子电池为例。
MIT的Ceder教授在09年的《Nature》上发表了一篇当人骇人听闻的“Battery materials for ultrafast charging and discharging”,这里直接上干货:
我们看黄色highlight的部分,他们用的磷酸铁锂作为正极材料,这是一种正交晶系的橄榄石结构,如下图所示:

他们在通过控制化学计量比制备了具有快Li+导体表面相的通过控制化学计量比制备了具有快Li+
导体(Li3PO4、Fe2P、Li4P2O7)表面相的LiFePO4,该材料拥有极其优异的倍率性能:可以在10~20s内完成放电!!!!这个得有多牛逼,看看他的性能:
上图a所示为标准磷酸铁锂的放电曲线,但是他木有给充电曲线!!!!!!虽然他给了50C(电流密度=3.86mg·cm-2)的放电比容量,还在图b中给了50周的容量保持率,但是如果不给出充电曲线既有可能让人以为是用小倍率即长时间充电然后再短时间放电的遐想,也就不是如题所说的快充快放了。
如上两幅图可以看出,最为牛逼的200C(18s)放电比容量100mAh/g出现了,400C(9s)居然还能有60mAh/g的容量贡献,也就是说也就是说1秒钟的时间内放出了将近7mAh/g的容量!!六脉神剑的即视感有木有!!!依旧,没有给充电曲线·····
他们给出了这种快充快放的前景与应用领域:
题主,看到了吗?绿色部分,5分钟内(12C)能用180kW功率搞定典型的一台插电式混合,而且满满的正能量哦!
然而,不久之后就遭受一记组合拳,来自Research institute of Hydro-Québec的Zaghib、德州奥斯丁的骨灰级大牛Goodenough(John B. Goodenough_百度百科)、Université Pierre et Marie Curie(巴黎第六大学或者皮埃尔和玛丽居里大学)的Mauger以及Julien联合撰写了一篇短文“Unsupported claims of ultrafast charging of LiFePO4 Li-ion batteries”,开门见山就是一句:“ In this context,
we wish to call attention to a deceptive paper that recently appeared in Nature, which
has received much publicity since it announced an impossibly high recharging rate
capability for a Li-ion battery of 9 seconds! ”

在这篇简短的调查中,他们给出了14个质疑,再亲自用Ceder的材料尝试后从材料的化学计量式、表征方案、电池的装配和导电剂的搭配、倍率计算、方法可行度乃至锂离子扩散系数的数值等多个角度吐槽,内容太多无法全部翻译出来,最后他讲到了一个安全性能方面的隐患:
经过他的计算,可以知道在内阻只有0.25Ω的情况下,既有多达60000kJ的热量产生,而这相当于能给四层楼供暖的热量!
并且,即便你的电池没有被汽化,在电池如此小空间的体积内,在充电结束以前,你要用170L的凉水来让电池降温(原话是:要消散60000kJ的热量,相当于把170升的水煮沸!)。在你的电动车结束充电的几秒钟内,你要迅速地用170升的水来急速降温哦。所以,根据老爷子的说法,900A的电流下快充快放体系对于安全性能的要求(在Ceder的实验条件下)是极高极高极高的!对于电动车的机械强度、热稳定性的影响没法估量!!!!
当然,严谨一些,老爷子他们并没有让电动车制造企业进行安全测试,其实以Goodenough个人名望而言,企业会进行封装电池(不是半电池)的安全测试。也有可能,企业也知道这样做的后果可能会让测试车辆报废甚至将发电系统完全熔毁所以干脆不做??
这里给出这两篇文章的链接:Ceder:nature.com/nature/journ
古爷:Unsupported claims of ultrafast charging of LiFePO4 Li-ion batteries
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貌似Ceder也给了回应,我回去再读读。


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@oooostrich 知友给出了Ceder反击文的链接:web.mit.edu/ceder/publi,在这篇文章中他们给出了充电曲线,另外Ceder的那篇Nature有SUPPLEMENTARY INFORMATION,同样在上面给的链接里,看完后过段时间更新内容,谢谢知友们。

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综上所述,快速充电的方式确实非常诱人,在实验室的操作也显示处较高的可行性,不过在安全测试数据没有出来之前我支持反对者的意见,毕竟由这么大电流带来的这些热量在快充这么短时间内的消散很成问题,而且电池这种小体积的封闭体系很容易在这些热量的怂恿下异化为小型炸弹。当然,这并不是说将来不会有人成功地研制出符合快速充电安全保障的材料,不过我想这些问题的迎刃而解很多是要交托给企业的现场工程师和工艺人员,如何改善电池包装空间和电芯设计,在电动车上如何调整电路板和核心部件的位置,以及附加水冷或者热量导出装置的开发,这些问题可能都是实业人员需要解决的,相信在不久后应该就能实现,下面给链接:
5分钟充满电动车 快充技术就要到来了-5分钟,充满,电动车,快充,技术
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