锂电池可以快充吗 锂电池快速充电大揭秘

锂电池快速充电大揭秘

来源：动力电池技术

电动汽车时常会出现这样的介绍

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我们充电的基本诉求：

1）充电要快；

2）不要影响电芯寿命；

3）尽量省钱，充电机放出来多少电，尽量都充到我的电池里。

那么多快就可以叫快充了呢？并没有什么标准文献给出具体数值，我们暂且参考知名度最高的补贴政策中提及的数值门槛。

下表是新能源客车2017年补贴标准。可以看到，快充的入门级是3C。实际上，在乘用车的补贴标准中，没有提及快充的要求。

从一般乘用车的宣传资料中，可以看到，大家一般认为30分钟充满80%已经可以作为快充的噱头，拿出来宣传了，那么姑且认为乘用车的1.6C就可以是入门级快充参考值。

按照这个思路，宣传15分钟充满80%的，相当于3.2C。

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快充的瓶颈在哪里？

在快充这个语境里，相关方按照物理主体分，包括电池、充电机、配电设施。

我们讨论快充，直接的想到电池会不会有问题。

实际上，在电池有问题之前，首先是充电机，配电线路的问题。

我们提到特斯拉的充电桩，其名曰超级充电桩，它的功率是120kW。

按照特斯拉Model S85D的参数，96s75p，232.5Ah，最高403V计算，其1.6C对应最大需求功率为149.9kW。

从这里就可以看到，对于长续航纯电动车型，1.6C或者说30分钟充满80%已经对充电桩构成考验。

在国家标准中，不允许在原来的居民用电网络中直接直接设置充电站。1台快充桩的用电功率就已经超出几十户居民的用电量。

因此，充电站都需要单独设置10kV变压器，而一个区域的配电网络并非都有余量增加更多的10kV变电站。

然后说道电池。电池是否能够承载1.6C或者3.2C的充电要求，可以从宏观和微观两个角度来看待。

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宏观上的快速充电理论

之所以这节的题目叫做“宏观上的快速充电理论”，是因为直接决定电池快速充电能力的是锂电池内部正负极材料性质、微观结构，电解液成分、添加剂，隔膜性质等等，这些微观层面的内容，我们暂时放在一边，站在电池外边，看锂电池快速充电的方法。

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锂电池存在最优充电电流

1972 年美国科学家J.A. Mas 提出蓄电池在充电过程中存在最佳充电曲线和他的马斯三定律，需要注意的是，这个理论是针对铅酸蓄电池提出的，其界定最大可接受充电电流的边界条件是少量副反应气体的产生，显然这个条件与具体的反应类型有关。

但系统存在最优解的思想，却是放之四海而皆准的。

具体到锂电池，界定其最大可接受电流的边界条件可以重新定义。

基于一些研究文献的结论，其最优值仍然是类似马斯定律的曲线趋势。

值得注意的是，锂电池的最大可接受充电电流的边界条件，除了需要考虑锂电池单体的因素，还需要考虑系统级别的因素，比如散热能力不同，系统的最大可接受充电电流是不同的。

然后我们暂且以这样的基础继续向下讨论。

马斯定理的公式描述：

I =I0*e^αt

式中；I0为电池初始充电电流；α 为充电接受率；t 为充电时间。I0和α 的值与电池类型、结构和新旧程度有关。

现阶段对电池充电方法的研究主要是基于最佳充电曲线来开展的。

如下图所示，如果充电电流超过这条最佳充电曲线，不但不能提高充电速率，而且会增加电池的析气量；

如果小于此最佳充电曲线，虽然不会对电池造成伤害，但是会延长充电时间，降低充电效率。

对这个理论的阐述包含三个层次，是为马斯三定律：

①对于任何给定的放电电流， 蓄电池充电时的电流接受比α 与电池放出的容量平方根成反比；

② 对于任何给定的放电量，α与放电电流Iｄ 的对数成正比；

③蓄电池在以不同的放电率放电后， 其最终的允许充电电流It （ 接受能力） 是各个放电率下的允许充电电流的总和。

以上定理，也是充电接受能力这个概念的来源。先理解一下什么是充电接受能力。找了一圈，没有看到统一官方的定义。

按照自己的理解，充电接受能力就是在特定环境条件下，具备一定荷电量的可充电电池充电的最大电流。

可以接受的含义是不会产生不应有的副反应，不会对电芯的寿命和性能造成不良影响。

进而理解一下三定律。第一定律，在电池放出一定电量以后，其充电接受能力与当前荷电量有关，荷电量越低，其充电接受能力越高。

第二定律，充电过程中，出现脉冲放电，有助于帮助电池提高实时的可接受电流值；

第三定律，充电接受能力会受到充电时刻以前的充放电情况的叠加影响。

如果马斯理论也适用于锂电池，则反向脉冲充电（下文中具体名称为Reflex 快速充电法）除了可以用去极化的角度解释其对温升抑制有帮助以外，马斯理论也作为对脉冲方法的支撑。

而更进一步的，真正将马斯理论全盘运用的，是智能充电方法，即跟踪电池参数，使得充电电流值始终因循锂电池的马斯曲线变化，使得在安全边界以内，充电效率达到最大化。

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常见快速充电方法

锂电池的充电方法有很多种，针对快速充电的要求，其主要方法包括脉冲充电、Reflex 充电，和智能充电。

不同的电池类型，其适用的充电方式也不完全相同，在方法这节不做具体区分。

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脉冲充电

这是来自文献中的一个脉冲充电方式，其脉冲阶段设置在充电触及上限电压4.2V以后，并在4.2V以上持续进行。

暂且不提其具体参数设置的合理性，不同类型电芯存在差异。

我们关注一下脉冲实施过程。

下面是脉冲充电曲线，主要包括三个阶段：预充、恒流充电和脉冲充电。

在恒流充电过程中以恒定电流对电池进行充电，部分能量被转移到电池内部。

当电池电压上升到上限电压（4.2 V）时，进入脉冲充电模式：用1 C 的脉冲电流间歇地对电池充电。

在恒定的充电时间Tc内电池电压会不断升高，充电停止时电压会慢慢下降。

当电池电压下降到上限电压（4.2 V）后，以同样的电流值对电池充电，开始下一个充电周期，如此循环充电直到电池充满。

在脉冲充电过程中，电池电压下降速度会渐渐减慢，停充时间T0会变长，当恒流充电占空比低至5%～10%时，认为电池已经充满，终止充电。

与常规充电方法相比，脉冲充电能以较大的电流充电，在停充期电池的浓差极化和欧姆极化会被消除，使下一轮的充电更加顺利地进行，充电速度快、温度的变化小、对电池寿命影响小，因而目前被广泛使用。

但其缺点很明显：需要一个有限流功能的电源，这增加了脉冲充电方式的成本。

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间歇充电法

锂电池间歇充电法包括变电流间歇充电法和变电压间歇充电法。

1）变电流间歇充电法

变电流间歇充电法是由厦门大学陈体衔教授提出来的，它的特点是将恒流充电改为限压变电流间歇充电。

如下图所示，变电流间歇充电法的第一阶段，先采用较大电流值对电池充电，在电池电压达到截止电压V0时停止充电，此时电池电压急剧下降。

保持一段停充时间后，采用减小的充电电流继续充电。当电池电压再次上升到截止电压V0时停止充电，如此往复数次（一般约为3～4 次）充电电流将减小设定的截止电流值。

然后进入恒电压充电阶段，以恒定电压对电池充电直到充电电流减小到下限值，充电结束。

变电流间歇充电法的主充阶段在限定充电电压条件下，采用了电流逐渐减小的间歇方式加大了充电电流，即加快了充电过程，缩短了充电时间。

但是这种充电模式电路比较复杂、造价高，一般只有在大功率快充时才考虑采用。

2）变电压间歇充电

在变电流间歇充电法的基础上，有人又研究了变电压间歇充电法。两者的差异就在于第一阶段的充电过程，将间歇恒流换成间歇恒压。

比较上面图(a)和图 (b)，可见恒压间歇充电更符合最佳充电的充电曲线。

在每个恒压充电阶段，由于电压恒定，充电电流自然按照指数规律下降，符合电池电流可接受率随着充电的进行逐渐下降的特点。

3）Reflex 快速充电法

Reflex 快速充电方法，又被称为反射充电方法或“打嗝”充电方法。

该方法的每个工作周期包括正向充电、反向瞬间放电和停充3 个阶段。

它在很大的程度上解决了电池极化现象，加快了充电速度。但是反向放电会缩短锂电池寿命。

如上图 所示，在每个充电周期中，先采用2 C 的电流充电时间为10 s 的Tc，然后停充时间为0.5 s的Tr1，反向放电时间为1 s 的Td，停充时间为0.5 s 的Tr2，每个充电循环时间为12 s。随着充电的进行，充电电流会逐渐变小。

4）智能充电法

智能充电是目前较先进的充电方法，如下图所示，其主要原理是应用du/dt 和di /dt 控制技术，通过检查电池电压和电流的增量来判断电池充电状态，动态跟踪电池可接受的充电电流，使充电电流自始自终在电池可接受的最大充电曲线附近。

这类智能方法，一般结合神经网络和模糊控制等先进算法技术，实现系统的自动优化。

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充电方式对充电速率影响的实验数据

文献比较了恒流充电方法和一种反向脉冲充电。恒流充电就是整个充电过程中以恒定不变的电流对电池进行充电充。

恒流充电初期，可以有大电流充电，但随着时间的推移，极化电阻逐渐显现并增加，造成更多的能量转化成热量，消耗掉并使得电池温度逐渐上升。

恒流充电与脉冲充电的比较

脉冲充电方法，是以一段时间的充电之后，出现短暂的反向充电电流。

其基本形式如下图所示。充电过程中夹杂短暂的放电脉冲，起到去极化的作用，降低极化电阻在充电过程中造成的影响。

有研究专门对比了脉冲充电与恒流充电的效果差异性。取平均电流为１Ｃ，２Ｃ，３ Ｃ 和４Ｃ（Ｃ 为电池额定容量数值） ， 分别做了４ 组对比实验，通过电池充完后放出的电量来衡量实际充入的电量下。

图为充电电流为２Ｃ 时脉冲充电的电流及电池端电压波形。表１ 为恒流脉冲充电实验数据。脉冲周期为１ｓ，正脉冲时间为0.９ｓ， 负脉冲时间为０.１ｓ。

Ichav 为充电平均电流，Qin为充入电量；Qo为放出电量，η为效率。

从上表中的实验结果可以看到，恒流充电与脉冲充电效率近似，脉冲略低于恒流，但充入电池的总电量，脉冲方式明显多于恒流方式。

不同脉冲占空比对脉冲充电的影响

脉冲充电中的负电流放电时间对充电快慢有，一定影响， 放电时间越长， 充电越慢；

保持相同平均电流充电时， 放电时间越长。

从下表可以看出，不同占空比对效率和充入电量有明确的影响趋势，但数值差异不是很大。

与此相关的，还有两个重要参数，充电时间和温度没有显示。

因此，选择脉冲充电优于持续恒流充电，具体选择占空比，则需要重点考虑电池温升和充电时间诉求。

来源：动力电池技术

“锂电池热”的“冷”思考：现今的电动汽车能快充吗？

8月20日辽阳一辆电动汽车着火，8月23日聊城发生电动火车着火事件，8月25日成都威马汽车起火，8月26日安徽铜陵一辆安凯电动客车着火……2018年5月到8月，公开报道的电动汽车事故多达16起，其中事故原因判断为“充电自燃”就有9起，其他事故原因包括电池故障、电器元件短路、停放中自燃等等。新能源汽车进入发展高速期，技术突破和安全性上的挑战随之而来。

新能源汽车主是指采用非常规的车用燃料作为动力来源的汽车，目前市面上最常见的是纯电动汽车和混合动力汽车。与普通汽车需要内燃机一样，电动汽车需要动力电池提供前进的能量，目前动力电池中最主要的类型是锂离子蓄电池。

“遵循科学规律，不要盲目”、“先把安全可靠的技术发展起来”，在10月17日至18日 北京举行的“中国宜春·2018全球锂电产业链高峰论坛”上，来自学界业界的人士，纷纷就锂电池发展安全性的问题，如是呼吁。

锂离子电池（Li-ion Battery）由锂电池（Lithium Battery）发展而来。锂电池在人们的生活中由来已久，比如纽扣电池就属于锂电池。锂电池的正极材料是二氧化锰或亚硫酰氯，负极是金属锂。电池组装完成后电池即有电压，不再充电。锂电池一般禁止充电，因为其充电放电过程中容易形成锂枝晶，造成电池内部短路。

1992年，日本索尼公司发明了以炭材料为负极，以含锂化合物作正极的电池，在充放电过程中，只有锂离子，没有金属锂存在，也就是现在的锂离子电池。此后，日本索尼能源开发公司和加拿大Moli能源公司分别研制成功了新型的锂离子蓄电池（以下简称“锂电池”）。目前锂电池已广泛用于各类手持式电子产品和电动汽车上。

对于锂电池来说，性能好坏表现在两个指标上：一个是充放电倍率，代表了电池的充电速度；一个是能量密度，决定了一辆车能续航多少公里。然而，对这两项指标的盲目追求，很大程度上牺牲的是安全系数。

“快速充电技术目前还没有出路”

“这些着火的事件，至少有60%是在充电或充电刚刚结束的时候出的事，说明充电出了大问题。” 国家863电动车重大专项动力电池测试中心主任王子冬表示。

锂电池在充电过程中，锂离子在两个电极之间往返嵌入和脱嵌，正极负极不发生氧化反应。但是王子冬提出，现在充电的方法和使用过程充电都是用的氧化还原反应，不是锂电池遵循自身规律应该有的充电方法。此前王子冬团队的实验结果显示，使用现在的充电方法，大概能使电池寿命降低30%。因此在这样的情况下，王子冬认为不应当考虑用大电流充电。

锂电池的充放电倍率是指单位额定容量内的充放电电流，例如额定容量为100Ah的电池用20A充放电时，其充放电倍率就为0.2C。一般锂电池充电电流设定在0.2C至1C之间，电流越大，充电越快，但同时电池发热现象也越严重。目前纯电动汽车的充电容量都是慢充化的，基本在0.3C到0.5C之间。另一方面，用过大的电流充电会造成容量不够满，这是因为电池内部的电化学反应需要时间。和倒啤酒的一样，倒太快会产生泡沫，反而倒不满。

北京大学新能源材料与技术实验室主任其鲁介绍，今天的多元正极金属复合氧化物电池要实现8分钟充电，理论上大概要用10C的倍率才能做到，“这个能量不可想象”。

这些技术瓶颈实际上并不是新问题，其鲁是中国锂电池研究领域的先锋人物之一，曾担任2008年奥运会清洁能源电动车用动力电池项目的首席科学家，早在北京奥运会时期，他们就针对各类问题做过各种实验。当时三元材料电池已经可以在5分钟内完成充电。在实验里，三元锂电池在快速充电的过程中，热量不能迅速释放，使得爆炸的可能性大大增加。考虑到安全问题，其鲁表示这种技术不能用到纯电动车上，只能用在电池混合动力车。

此外，动力电池的快充还面临着一个非常现实的问题——城市的电力基本设施无法满足个需求。假设一辆公交车用的是150kWh的电池，需要5分钟来充电，一辆公交车就需要100kW供电能力，如果同时有几百辆上千辆公交车一起充电，会对电网造成很大的冲击。

“今天的城市电网根本做不到这一点。”其鲁表示。

目前，王子冬的团队正研究充电过程中根据电池特性调整充电方法，改了不同的充电方法后，普通标准充电法充500次的电池寿命，在新方法下可以做到充电1000次，有效减缓了电池的衰减。所以王子冬表示，即便有很多瓶颈，锂电池一定会有特别适合自己的充电方法。

其鲁认为，现阶段最合适的是以车位为单位接线充电，两三个小时、五六个小时、甚至一个晚上，这是充电技术完全可以做到。通过先把安全可靠的充电方式发展起来，来推动电动汽车的稳步、安全、健康发展。

能量密度与安全性是一对矛盾

2018年2月，财政部、工信部等四部委联合发布《关于调整完善新能源汽车推广应用财政补贴政策的通知》，取消了对续驶里程150公里以下纯电动车的补贴，对续驶里程超过300公里的纯电动车补贴则增至3.4万元，超过400公里的车型补贴增至5万元。

美国加州大学戴维斯分校中国交通能源中心主任王云石分析，这意味着纯电动车在达到与汽油车类似的续驶里程后，续驶里程越长越好。新政策可能希望通过对动力电池系统能量密度的要求，来推进动力电池的发展。

锂电池的能量密度(Wh/kg)是指单位重量的电池能储存的能量多少，主要由电池的材料特性决定。按普通铅酸电池的能量密度约为40Wh/kg计算，如果使用铅酸电池驱动家用汽车行驶200公里以上，则需要将近1吨的电池。因此把电池重量控制在一定范围的前提下，电池的能量密度越大，汽车的续航里程就越长。

能量密度数值理应是越高越好，但电池是能量高度集中的小型装置，当更小体积里聚集更多能量时，如果使用不当，比如温度升高或突然遇到剧烈碰撞，其产生的后果甚至可以和炸弹相提并论。

根据新能源研究院真锂研究发布的最新数据，2018年6月份之后，120Wh/kg的电池包的装机量占比达到了约95%，而一年前的6月该比重仅为7.3%。也就是说国内电池系统能量密度的进步数以“惊人的速度”远远超过了海外。

2017-2018.8 中国电动汽车乘用车产量中不同能量密度电池包的装机占比 来源：真锂研究

尽管在高能量密度电池包的装机数量有了极大提升，但如何平衡能量密度与安全性的问题尚未得到解决。

“在今天，能量密度毫无疑问和电池安全性成反比，我们还没有解决好这个问题。” 其鲁表示。

目前中国国内量产的锂电池，理论电芯能量密度在300到400Wh。在这个上限尚无突破办法的情况下，可以通过减磨隔膜的方式，扩大材料空间，从而提高能量密度。隔膜的作用是使电池的正、负极分隔开来，防止两极接触而短路，并让电解质离子通过。

“这是最简单，也是最危险的办法。”王子冬表示。

王子冬介绍，此前他的研究团队了解过三星Note7的着火事件，检查发现三星Note7的电池使用的隔膜约在45微米到46微米左右厚，在使用同质材料的情况下，有些动力电池制造厂商甚至在考虑用10微米、8微米厚的隔膜，在他看来这样的想法“很胆大”。

由于电池制造过程当中避免不了掉颗粒的现象，实际隔膜都会带些细微的“工伤”，在材料没有突破的前提下，超薄的隔膜、可燃的电解液、加上暗流涌动的枝晶，若在这一环节铤而走险便会埋下爆炸隐患。

“在没有掌握住锂电池的着火规律前，把控能量密度、安全性和寿命的平衡关系，是我们不能忽视的问题。”王子冬说。

实际上，能量密度与安全性这一“鱼与熊掌”的问题，不仅困扰着中国的锂电池技术发展，同样也困扰着业内领先的韩国和日本。来自德意志证券韩国公司的分析师Seunghoon Han表示，目前没有哪家公司敢说其技术路线是完全确定的，但每个公司都认为他们的电池是最安全的。鉴于其他很多行业都通过标准化和规范化，引导解决了很多安全问题，如今锂电池行业发展面临的这些安全问题，或许也可以需要标准化来解决。而这些发展瓶颈期的问题，并不影响快充技术和提高能量密度依然是未来的技术发展方向。

“只有将安全指标标准化、规范化之后，技术发展才会更容易确定哪些是更安全的，哪些是不安全的。”Han表示。

另一方面，高能量密度意味着需要高密度的材料，高密度的材料将会决定储存电能的大小。当一种材料能做到的厚度达到安全极限却还低于人们期望的时候，很多人将目光转向寻求新的材料。王子冬认为，如果没有材料上突破，突破高能量密度这一问题，将会在瓶颈期会停滞很长的时间，10年或50年都有可能。

而对于最近很火的石墨烯、纳米材料等，其鲁却并不看好。他表示，包括此前使用的硫酸亚铁锂在内，这些材料实际上都是低密度材料，而三元材料多元材料等密度则高很多，未来甚至还能将密度做得更高。

“从材料角度看，石墨烯导电性能好，但由材料推导到电池再推导到电动车上，概念能一样吗？”其鲁说，“纳米材料在这个领域当中不会有什么具体应用。”

不管是快充还是高能量密度，其鲁认为一定要戒骄戒躁、保持警惕，尤其对类似固态锂电池这类能保证能量密度、使用又安全的技术，在没有很好电导率的电解质材料出现之前，对这类电池的产业化不应抱有太多期望。

“我们还是要全力以赴发展出我们可行的技术，我认为最重要的是我们‘明天的技术’。”其鲁表示。

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