钜大LARGE | 点击量：1161次 | 2021年04月08日
动力锂电池的充电速度会受什么限制？锂离子电池基本工作原理以及结构介绍
在讨论动力锂电池充电速度的时候，电池本身的承受能力绝对是最无法绕过的一个因素。无论外围的充电设备有多牛、功率有多大、充电能力有多强，假如电池本身在能够接受的充电能力方面有短板，那么充电速度肯定就快不起来。加上电池容量又比较大的话，自然充电时间就长了。
假如你高中学过电化学方面的知识的话，就会了解动力锂电池充放电的过程，本质就是电池内部通过一系列的氧化还原反应，来实现电子在正极和负极之间定向转移。以当下主流的锂离子电池为例，虽然种类五花八门，但是大体的构造无外乎包括正极材料、负极材料、隔膜、电解液等，充电的过程，基本上就是锂离子从负极脱出，穿过隔膜和电解质，扩散到达正极的过程扩散速度自然就成了充电速度的关键。
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。
而锂离子的扩散速度，和温度、正极材料和结构密切相关。
符合Exic IIB T4 Gc防爆标准
充电温度：0~45℃
-放电温度：-40~+55℃
-40℃最大放电倍率：1C
-40℃ 0.5放电容量保持率≥70%
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，尤其是磷酸铁锂离子电池。一般0℃时磷酸铁锂离子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，电动汽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。这也是如今的锂离子电池以正极材料命名的一个重要原因。
在电池行业的领域，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(StateofCharge，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，电池在充电过程的特性大致和上面这张图类似，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。假如你有留意当下在售的大部分电动汽车，都会发现它们会宣传自己在特定的快充状态下，能够在一个相比较较短的时间例如1小时乃至30分钟的时间里，充满一个大比例的电量，一般在80%-90%左右，就是这个意思。
所以假如你是一个电动汽车用户，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要的里程数就足够了。
充电设备的充电速度受什么限制?
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。简单来讲，充电桩输出功率越大，充电时间越短。但是充电桩也不是可以无限提高充电功率的。先来说下电动汽车的充电大体是一个什么样的过程。
一说到汽车充电，大家首先想到的自然就是充电桩。简单来讲，充电桩输出功率越大、电池容量越小，充电时间自然越短。这就和要把一个水池放满水，放水管越大、水池越小自然耗时越短是一个道理。不过作为电动汽车用户，当然希望自己的电池容量也足够大，所以提升充电桩功率自然是更应该做的。车用的充电桩一般分为交流充电桩、直流充电桩两种。我们分开两种情况来讲。
先讲普适性比较强的交流充电桩。它多采用和家用电压大小相同的220V交流充电，一般电流只有16A或者32A，充电速度相比较较慢，在电池容量20kwh左右的情况下，要大概6-8个小时才能够充满电。
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。
介绍锂离子电池的工作原理时，以应用较为广泛的18650锂离子电芯为例，下面是发生的化学反应示意图和公式：
先看放电过程中正极的反应(钴酸根先拿掉)。
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。
为何要讲锂离子电池的基本工作原理和结构?后面谈锂离子电池充电、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，指的是在锂离子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：2500mAh
充电截止电压：4.2V
放电截止电压：2.5V
最大充电电流：4000mA
最大放电电流：20000mA
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。
为何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。
为何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。
具体到一个锂离子电池，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：
下面是某型号锂离子电池放电电流和电池容量的关系：
锂离子电池充电
锂离子电池的充电管理，重要是保证充电电流不能过大，不能过充，温度合适，还要尽可能地提高充电速度。下面是一份锂离子电池充电过程中电压、电流和容量的变化关系图：
以0.7C电流恒流充电，至电压升至充电截止电压4.2V
以充电截止电压4.2V恒压充电，至电流降低到55mA
这里有几个重要参数：
恒流充电电流
恒压充电电压
充电截止电流(充电完成的标志)
恒流充电电压是固定的，绝对不可以随便修改。恒流充电电流只要不超过最大充电电流即可，其大小会影响充电速度。充电截止电流可以自由调节，其大小会影响电池充入的电量和充电时间。
锂离子电池放电
锂离子电池放电时，重要是注意放电电流不要过大和不过度放电就行了。
锂离子电池电量检测
锂离子电池电量检测的核心问题是获取剩余电量和总容量，以提示用户剩余充电时间和剩余放电时间，为用户合理安排时间供应依据。
现在大多数设备为了简化设计，用电池电压来判断剩余电量，在要求不严格的场合可以接受，但是是一种不严谨的行为。电池在同一剩余电量状态下，当处于不同温度、不同放电电流时，电压时不同的。较为严谨的做法是统计电量。
一块新电池安装在设备上后，必须经历一次完整的放电或完整的充电。这样做是考虑到了两点：获取电池总容量和获取当前剩余电量。
从无电到充满电，检测充入电荷数，得到总容量
放电一段时间，当前电量=前电量-放电量
充电一段时间，当前电量=前电量+充电量
有了当前电量，再加上当前充电或放电电流，就可以预算剩余充电时间和放电时间;还可以结合总容量，供应电量百分比信息。
