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电动车能快充吗?快充会影响电池吗?

钜大LARGE  |  点击量:286次  |  2019年06月10日  

摘要

锂离子电池(Li-ionBattery)由锂电池(LithiumBattery)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。


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