一文看懂動力電池充放電過程

靳衛(wèi)明

2018年，新能源汽車領(lǐng)域硝煙四起，超長續(xù)航成為各家車企競相爭奪國內(nèi)市場的重型武器。各大車企都在以超長續(xù)航的新款車來招攬需求越來越高端的眾多消費者。2月底，騰勢500Z式亮相；3月底，吉利正式推出帝豪EV450新款車型；4月初，比亞迪一口氣推出秦EV450、e5 450、宋EV400三款新車型，續(xù)航均在400公里以上。

但是從技術(shù)角度來講，動力電池才是核心，才是決定電動汽車擁有超長續(xù)航能力的關(guān)鍵。以交流慢充和直流快充兩種充電方式為例，正確、合適的使用方式不僅能夠最大限度地發(fā)揮動力電池的動力，而且可以延長電池的使用壽命。從知識普及的角度，在動力電池現(xiàn)有能量密度技術(shù)水平基礎上，有必要讓消費者了解動力電池的充放電過程，各電池材料對充放電能力的影響，從而培養(yǎng)正確的使用習慣，延長動力電池的使用壽命，確保電動汽車的持續(xù)長久續(xù)航。

充放電 電子互逃

目前，各大電動汽車企業(yè)使用的比較盛行的動力電池類型主要有兩種，一是磷酸鐵鋰電池，二是三元鋰電池。然而不論是哪一種電池，其充電的過程大致可以分為以下四個階段，即恒流充電階段、恒壓充電階段、充滿階段、浮充充電階段。

在恒流充電階段，充電電流保持恒定，充入電量快速增加，電池電壓也隨之上升。到了恒壓充電階段，顧名思義，充電電壓會保持恒定，雖然充入電量會繼續(xù)增加，但是電池電壓上升緩慢，充電電流也會下降。到了電池充滿階段，充電電流下降到低于浮充轉(zhuǎn)換電流，充電器充電電壓降低到浮充電壓。在浮充充電階段，充電電壓會保持為浮充電壓。

鋰離子電池的充放電過程就是鋰離子的嵌入和脫嵌過程。在鋰離子的嵌入和脫嵌過程中，同時伴隨著與鋰離子等當量電子的嵌入和脫嵌（習慣上正極用嵌入或脫嵌表示，而負極用插入或脫插表示）。在整個充電過程中，正極上的電子會通過外部電路跑到負極上，正鋰離子Li+從正極穿過電解液，穿過隔膜材料，最終到達負極，并在此停留與“駐地”的電子結(jié)合在一起，被還原成Li鑲嵌在負極的碳素材料中。資料顯示，作為負極的碳呈層狀結(jié)構(gòu)，它有很多微孔，達到負極的鋰離子嵌入到碳層的微孔中，嵌入的鋰離子越多，充電容量也就越高。電流越大，充電越快，但是電池發(fā)熱也就越大。充電電流過大，反而容易充不滿，因為電池內(nèi)部的電化學反應也需要時間。

相反，當電池放電時（即使用電池的過程），鑲嵌在負極碳素材料中的Li失去電子，負極上的電子通過外部電路“運動”到正極上，正鋰離子Li+從負極越過電解液，越過隔膜材料，到達正極，并與“駐地”的電子結(jié)合在一起。同樣，返回正極的鋰離子越多，放電的容量也就越高。

保效率 四大材料

在動力電池充放電過程中，各類關(guān)鍵性材料（比如正極材料、負極材料、隔膜、電解液等）各起到哪些作用？

第一是正極材料，就正極材料而言，其活性物質(zhì)一般為錳酸鋰或鈷酸鋰、鎳鉆錳酸鋰等材料，主流產(chǎn)品多采用鋰鐵磷酸鹽。

第二是負極材料，負極材料大體分為碳負極、錫基負極、鋰過渡金屬氮化物負極、合金類負極、納米級負極、納米材料這幾種。其中，實際用于鋰離子電池的負極材料基本上都是碳素材料，如人工石墨、天然石墨、中間相碳微球、石油焦、碳纖維、熱解樹脂碳等。就納米氧化物材料而言，據(jù)悉，根據(jù)2009年鋰電池新能源行業(yè)市場發(fā)展的最新動向，一些公司已經(jīng)開始使用納米氧化鈦和納米氧化硅添加在傳統(tǒng)的石墨、錫氧化物、納米碳管里面，極大地提高鋰電池的充放電量和充放電次數(shù)。

第三是電解質(zhì)溶液，通常采用鋰鹽，如高氯酸鋰（LiClO₄）、六氟磷酸鋰（LiPF₆）、四氟硼酸鋰（LiBF₄）等。由于電池的工作電壓遠高于水的分解電壓，因此鋰離子電池常采用有機溶劑，但是有機溶劑常常在充電時破壞石墨的結(jié)構(gòu)，導致其剝脫，并在其表面形成固體電解質(zhì)膜導致電極鈍化。而且還可能帶來易燃、易爆等安全性問題。

第四是隔膜，作為電池的關(guān)鍵零部件之一，隔膜性能的優(yōu)勢決定電池的界面結(jié)構(gòu)和內(nèi)阻，進而影響電池的容量、循環(huán)性能，充放電電流密度等關(guān)鍵特性。一般而言，常用的隔膜有單層和多層隔膜等幾種類型。據(jù)了解，國產(chǎn)的一些公司會選稍厚一點的隔膜，部分企業(yè)使用的隔膜厚度有的達到40um左右。由于隔膜生產(chǎn)較高的技術(shù)門檻，國內(nèi)鋰離子電池隔膜技術(shù)與國外尚有一些差距。

資料顯示，隔膜是一種特殊成型的高分子薄膜，薄膜有微孔結(jié)構(gòu)，在吸收電解液后，可隔離正、負極以防止短路。同時給鋰離子電池提供實現(xiàn)充放電功能、倍率性能的微孔通道，實現(xiàn)鋰離子的傳導。在電池過充或者溫度變化較大時，隔膜通過閉孔來阻隔電流傳導以防止爆炸。

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電動汽車電池使用攻略

對于動力電池而言，延長動力電池的使用壽命，確保電動汽車的持續(xù)長久續(xù)航需要注意以下幾點：

第一，充電電流不能過大，過大的電流會導致電池內(nèi)部發(fā)熱，有可能會對電池造成永久性的損害。一般情況下，蓄電池充電時間在十個小時左右，要避免過度充電。

第二，絕對不能過度放電，鋰離子電池過度充放電會對正負極造成永久性損壞。過度放電會導致負極碳片層結(jié)構(gòu)出現(xiàn)塌陷，而塌陷會造成充電過程中鋰離子無法插入：過度充電使過多的鋰離子嵌入負極碳結(jié)構(gòu)，從而造成其中部分鋰離子再也無法釋放出來。

第三，對電動汽車電池組需要經(jīng)常進行一些常規(guī)的檢查，并保持其清潔。在低溫環(huán)境下使用電動汽車時，需要先對動力電池進行預熱，盡量避免大功率直接使用。