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快充不是EV的万能药 浅析车载动力电池(一)

2019 年 05 月 22 日 00 : 00 原创 编辑:周凯 来源:EV知道
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[ EV知道 实验室 ]谈到新能源汽车自然就会谈到动力电池,而电池这个东西对于我们大多数人来说又是个既熟悉又陌生的存在。熟悉的是电池存在于我们身边方方面面的应用之中,陌生的则是它的来龙去脉、脾气秉性。而大规模应用于新能源汽车的三元锂离子则是一个不断更新的电池体系,涉及了物理学与化学的诸多研究领域。这就使得人们对于锂电池更加缺乏深入理性的了解,而这个系列文章将试图将车载动力电池的相关问题做一个浅显的介绍,希望能对朋友们有所帮助。

快充不是EV的万能药 浅析车载动力电池(一)

充电速度慢,特别是相对于?#21152;?#36710;几分钟加满油箱的体验来说落差过大,是当前新能源车的一个重要痛点。而针对这个问题,很多宣传中都将快充作为了车辆的一个重要指标。快充确?#30340;?#25552;升电动车的使用便利性,但我们也应该认识到快充同样也带来了一系列的问题。

快充不是EV的万能药 浅析车载动力电池(一)

一、快充的问题

对于充电,我们的要求其实很简单:快速、高效、安全。用通俗的话讲就是不出危险、不伤我电池的情况下尽可能快的充电,充电过程中也不要浪?#36873;?#32780;快充所包括的参与者则包括了电池、充电机和配套设施,那么讨论快充自然离不开这三个参与者。

1、快充倍率

首先,我们的先明确一下到底啥叫快充。行?#36947;?#23545;于快充的定义并不是看具体的充电功率,而是依据一个叫充电倍率的指标,单位是C。充电倍率通俗的说就是一块电池要用一小时的几倍时间充满,1小时充满是1C、2小时充满是0.5C而半小时充满就是2C。按照早前的国际推荐标准,超过0.1C的倍率就可称之快充了。而在当前的电动汽车中,国?#20063;?#38754;在商用车标准是3C,而乘用车则差不多在1.6C才能称之为快充。但目前乘用车的快充倍率在1C-1.2C左右。

所以,一辆带电量60kWh、充电功率60kW的车和一辆带电量40kWh、充电功率50kW的车相比,真的是50kW充电功率的车的快充能力更强。

2、快充的参与者

电池、充电机和配套设施,从实施难度上看充电机相对容易,而电池和配套设施方面则都面临着令人头疼的现状。

充电桩

快充不是EV的万能药 浅析车载动力电池(一)

目前国内外?#21152;?#22823;功率快充桩的消息不断传来,而其自身的主要问题其实不过是如何商业化、如何平衡成?#23613;?#32780;更多的问题则是什么样的电池能承受这么大的充电倍率(目前乘用车最大带电量也就100kWh,而500kW的充电带来的将是5C的充电倍率),和如此大的突发用电功率如何做好电网配套。

电池

?#20154;?#38146;电池,这是一种比较新兴的二次电池(也就是俗称的充电电池,是多次循环使用的;相对应一次性的干电池则是一次电池),由于其相对适用于大倍率充放电的特性而广泛应用于当前的新能源汽车领域。

快充不是EV的万能药 浅析车载动力电池(一)

而我们所需要的快充能力则就是建立在锂电池的理化结构特性的基础上的,是有其内在科学规律的,不可能?#31350;?#32780;来的“放卫星”。锂电池快充需要在在电池整体的各个?#26041;?#20013;都下功夫,主要包括正极、负极、电解液、隔膜和结构设?#39057;取?#20854;中正极材料与结构设计方面目前是瓶颈最小的部分,而负极、隔膜、电解液这三者都在快充与安全、寿命等方面存在着严重的矛盾。

快充不是EV的万能药 浅析车载动力电池(一)

负极方面,而快充大电流带来负极迅速接纳锂的压力变大,进而生成锂枝晶的倾向变大。因此快充时负极不仅要满足锂扩散的动力学要求,更要解决锂枝晶生成倾向加剧带来的安全性问题,所以快充电芯?#23548;?#19978;主要的技术难点锂离子在负极的嵌入。受限于成本目前仍以石墨为主。虽然石墨综合的加工性能、能量密度方面都比较?#21028;悖?#20294;其表面对于电解液较为敏感的缺点也对快充时、特别是枝晶生长造成隔膜破裂后的的电池安全造成了不利影响。

电解质对于快充锂离子电池的性能影响很大。要保证电池在快充大电流下的稳定和安全性,电解液要做到不能分解、导电?#23460;?#39640;、对正负极材料是惰性的,不能反应或溶解。如果要达到这几个要求,关键要用到添加剂和功能电解质。具体到三元锂电池则必须向其中加入各种抗高温类、阻燃类、防过充电类的添加剂保护,才能一定程度上提高其安全性。

而隔膜则是隔离正负极、避免内部短路的关键,而快充则对隔膜的安全性与寿命造型了相当的压力。特别是近年来国内?#34892;?#20225;业因过度追求单体能量密度而大幅度的降低隔膜厚度,使得隔膜对于枝晶穿刺等的应对能力出现了一定隐患。

快充不是EV的万能药 浅析车载动力电池(一)

需要注意的是有一种情况,枝晶的积累穿刺濒临界限甚至已经产生了众多的微短路,但其所产生的热在慢慢提高电池温度却还未高到让材料燃烧、产生的气体也未足以撑破电池外壳。这时,经过一?#38382;?#38388;后,电池才会发生爆炸。这也是我们目前很难精确预报电池起火的原因之一。

快充不是EV的万能药 浅析车载动力电池(一)

电池充电中还有一个关系到用户的?#23548;?#21033;益问题,就是快充会造成很大程度的“浮电”问题,也就是我?#27973;?#35828;的快充后的电池不耐用。

所以在电池技术取得重大进步前,电池在保证自身综合性能平衡的前提下,快充性能不可能出现飞跃式的进展。

配套设施

快充最重要的配套需求就是电网适配。无论的巨大的用电量还是突发用电功率都对现有电网构成了重大的压力,而总所周知电网的适配能力是?#27973;?#26377;限的,不可能无限制的应对发展越来越迅速、基数越来越庞大的新能源汽车的快充需求。

快充不是EV的万能药 浅析车载动力电池(一)

快充不是EV的万能药 浅析车载动力电池(一)

所以,快充是不可能成为主流充电?#38382;?#30340;,“慢充为主、快充应急”将是很长一?#38382;?#26399;内的新能源车充电的主要生态。

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