【讲堂】要想充电充得快，学点公式不可少（上）

电动车发展的主要，矛盾是什么？...





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电动车发展的主要，矛盾是什么？在不久之前，是续航里程，单次充电NEDC续航200/300km确实不太够用。但随着时间的，车轮转进2020年，大部分新车的续航，已经来到500km以上，主要矛盾已经逐渐，切换为了充电问题。500km的nedc续航上高速，一般也可以达到300km的续航能力，差不多2小时多的连续，行驶之后，进服务区休整一下也合适，如果车辆能够在30分钟内，完成补能，那么就不会对，整个行程造成压力。如果进一步，充电能够在5-10分钟左右完成，那么体验和燃油车，就不会有太多的差别。而且充电快了之后，同一个充电桩/充电车位的利用率也，会改善。那么10分钟完成充电离我们，有多远？说远不远，宾夕法尼亚州立大学的研究人员10月，30日在《焦耳》杂志上发表的研究表明，新开发(新开发)的，锂电池已经能够实现10分钟补充200英里（320公里）续航，充电功率高达400kW，循环寿命也能够达到，1700次。试验人员将电池加热到60℃进行短时间，的大功率充电，并在较低温度下放电，从而避开了低温高电流(高电流)充电，造成的析锂现象（阳极周围的锂离子被大电流不可逆地，还原为锂金属，电镀在电极表面，从而造成可用锂离子减少，容量降低，并且电极反应面积减小，更危险的是会，形成如树枝状的锂枝晶，刺穿隔膜，造成电池内部短路）。这项技术的核心在于极为，迅速地加热电池以及快速的降温，从而避免电池长时间工作于高温(于，高温)环境，宾夕法尼亚州立大学机械工程师王朝阳，(王朝阳)（Chaoyang Wang）称，他们改进了电池设计，增加了自加热的镍箔结构，可在不到30秒，的时间内预热。“这项研究表明，在有限的暴露时间下，在高温下减轻析锂的好处远远超过了高温加剧，副反应带来的负面影响。”

除此之外，这种新型的能接受大功率充电，的电池还需要高度稳定的电解质和活性材料。怎么制备这种材料也是个，看着就让人头大的大学问。

有多头大？随便给你找两个研究案例：Toshiki nokami等人通过密度泛函，理论计算，设计出了有机芘-4,5,9,10-四酮接枝PMMA（Polymer-Bound Pyrene-4,5,9,10-tetraone）锂离子正极材料，这种材料可作为优秀，的正极骨架结构，具有卓越的快速，充放电能力。

看不懂？没事，我也看不懂。好吧，把锂电池材料工艺的进化，交给研究者，那么，在现有的锂电池条件下，有什么手段可以，加快充电速度吗？有，并非单纯的加大充电电流，如今的快充技术通过，控制充电的方式，同样可以起到加速充电，的作用。

制约充电速度的因素主要出于安全与寿命考虑，要提高充电速度，首先我们必须要知道，在安全的前提下，电池充电电流最大，能达到多少？美国科学家马斯以蓄电池充电时，产生气体最少（不对电池产生危害）为前提，研究蓄电池能够接受，的最大充电电流（使充电速度最快），从而获得了一条最优曲线：马斯理想充电曲线，可以用以下公式来表达：

马斯三定律用来描述两个未知数α和I_0。虽然当年马斯的研究对，象是铅酸蓄电池，但其基本原理却是放诸四海，而皆准，不能定量却可以定性，指导锂电池快充技术的发展。

马斯三定律的基本，定义如下：

用白话文来说，第一定律表明如果以同样，电流放电，放电越多，充电越快，这也可以解释了为什么，充电时，电量低充电快，而电量足的时候充电慢。第二定律指的是，放电时候电流越大，充电时候的电流，也可以更大，充电越快；第三则表明充电电流不是，由某一个放电阶段决定的，而是整个过程共同影响，的叠加，带负脉冲的脉冲充电法便可以用马斯，三定律进行解释：在充电之前或者，过程中适当（快速）放电可以提高充电，电流接受比。

下面介绍三种充电的基本控制方法，其他的基本可以视为这几种方法，的组合与拓展。1.恒流充电法。通过调整充电装置的电压或者改变蓄电池串联电阻的方式是，充电电流保持不变的充电方法，由于电池可接受电流，能力随着充电过程逐渐下降，因此如果始终保持较高，电流恒电流充电的话，电池无法接受的，电流被用于电解水，产生气体，一方面浪费的能源，降低了效率，另一方面，也会造成电池的不可逆损耗，并发生危险。因此，恒流充电一般只作为充电，的一个阶段。

2.恒压充电。恒流充电控制电流，而恒压充电则控制，施加在电池两端的电压。随着充电的进行，电池电动势增加，充电电流会逐渐减小，因而恒压充电在充电中后期对，电池较为友好，但充电初期，由于电池电动势很小，充电电流就会显得很大，危害电池安全。另外在充电末期，由于各种活化过，电压的存在，充电电流过小，可能会造成充电不足。前期电流过大而末期过小，试验结果显示会，影响电池使用寿命。

3.阶段充电法。由于恒压和恒流单独使用，存在各种问题，因此要将他们组，合起来使用。如多段恒流、充电初期用大电流恒流，当达到一定电压后改用，较小的电流；多段恒压；当前最常用的，恒流恒压充电法，在充电初期采用，恒电流充电，电流较大，充电速度较快，后期用恒压充电，结合了两者的优点；以及阶段更多的恒流，恒压涓流充电等等。这几种充电方法共同的特征，是连续充电，他们没有考虑到电池在充电，过程中必然发生的极化现象。电池循环初期还好，随着循环测试增加，电池老化，极化现象会越发明显。从而使电池电压在，恒流充电快速上升，达到临界值而切换为，恒压充电，充电速度降低。极化现象是什么？简单来说，电池在充电过程中的极化，就像倒可乐，倒的越快，越多，杯中产生的泡沫越多，很快就倒满，乃至溢出了，但此时杯中实际上，只有半杯可乐，剩下半杯都是泡沫。对应于充电，那就是虚电。关于极化的具体内容，我们下期讲堂继续。

最后做一个总结：快充技术的发展一方面，需要电池制造技术的支持（提高天花板），而另一方面也需要，摸索出现有电池的极限（天花板之下搭尽可能高，的梯子），单纯搭梯子（充电）很简单，但如何又好又快地搭梯子，让搭的梯子更加坚固（电量“实”），就需要遵循这期讲，的马斯三定律。

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