大家好,我是電動車公社的社長。
電池衰減一直是個困擾很多車主的問題。最近好多車主也頻繁留言后臺,說想要看看如何充電能夠減少電池的損耗。那么今天問題的答案可就來了! 自從SONY在1991年推出了首個商用的鋰電池,在20年間幾乎取代了早期的鎳電池,成為了主流電子設(shè)備甚至電動汽車的供電來源。
就如同各個電池的名字一樣,各種電池的特性也都不太一樣。 比如之前手機上廣泛采用的鎳鎘電池,相信大家都有類似的經(jīng)歷:你媽媽一定會告訴你,手機買回來以后先用到自然關(guān)機,再充電充一整晚,直到把手機充得滿滿。
如此往復,兩三個循環(huán),手機電池才能夠耐用。在日后的使用過程中也要盡量把電池用光后,再充電。 這樣復雜的操作也恰恰是因為鎳鎘電池的特性,也可以說是鎳鎘電池的缺點,那就是“記憶效應”。
記憶效應,簡單講就是鎳鉻電池的記憶就像是金魚,只有七秒的記憶。如果長久的使用過程中,電池的電量都沒有完全放盡,它就忘記了自己最多能擁有多少電量,轉(zhuǎn)而記住沒放盡的電量值。 換句話說,如果鎳鎘電池每次你都用到50%就充電,長此以往,你的電池容量就變成原來的50%了。 那時候,我們?yōu)榱诉w就電池,也改變了我們的充電習慣,記得社長的第一部諾基亞,為了保證電池的充電時間不會過長而損傷電池,我還設(shè)定過凌晨的鬧鐘就為了拔掉插頭。
后來因為鎘的毒性實在不利于生態(tài)環(huán)境的保護,以及繁瑣的充電過程,也漸漸被時代拋棄掉了。 說起鋰電池,它發(fā)展如此迅猛的原因之一就是它有著很高的能量密度,在容量相同的條件下,它的體積僅僅是鎳鎘電池的20%-30%。這也一定程度上推動了電子產(chǎn)品的發(fā)展,也是因為電池體積的縮小使得更多的設(shè)想得以落地,讓電子設(shè)備能真正地隨身攜帶。
在汽車上,近兩年也因為電池技術(shù)的突飛猛進,續(xù)航里程也從13年不到200km的水平提升到了現(xiàn)在的700、800km的水平。 另外,鋰電池的壽命也算是長久,主流的鋰離子電池的充放電周期一般都可以達到上千次。 那鋰離子電池就十全十美了? 當然不是,即使鋰離子電池的壽命相對較長,但是電池的衰減也一直在不可避免地進行著。 大家不妨拿出自己的手機,設(shè)置-電池-電池健康看看自己手機電池的最大容量還剩多少,反正社長的手機是要撐不住了。
這樣一個小小的手機電池都有會損耗,那就更別提作為給車底那塊給大大小小用電設(shè)備供電,運行工況又相對惡劣的電池包了。 那鋰電池的特性是什么?衰減又是怎么發(fā)生的呢? 我們還是從鋰電池的充放電原理說起: 鋰電池的工作原理簡單來說就是鋰離子在正負極間的相互運輸。
鋰電池的正極材料,一般由鋰的化合物構(gòu)成,充電過程中,正極釋放出的鋰離子會通過電解液,穿過半透的絕緣膜,到達負極材料(一般為石墨材質(zhì)),這樣一來由于電勢的不平衡,外電路就會產(chǎn)生電流。 再簡單點說,整個的充電過程就是可用活性的鋰離子從鋰的化合物中脫離,也叫“脫鋰”。 同理,在負極發(fā)生的就是“嵌鋰”反應。 反之,放電過程就是在正極嵌鋰,負極脫鋰。
鋰離子會伴隨著我們每次的充放電,勤勞地游走在電解液和正負極材料中間。時間久了,次數(shù)多了,就很難保證所有的鋰離子都是富有活性的。當一些鋰離子覺得跑不動了的時候,我們電池的容量就會發(fā)生衰減。 所以,只要充放電過程在進行,鋰電池的衰減就是一定會發(fā)生的。
此外,就拿一般作為鋰離子電池負極材料的石墨來講,從高中化學關(guān)于石墨晶體的知識,可以知道石墨的原子結(jié)構(gòu)是由SP2的碳原子形成類似苯環(huán)的平面層級結(jié)構(gòu)。 雖說碳原子具有接近完美的球形結(jié)構(gòu),其本身也非常穩(wěn)定,但是由于石墨這些層級結(jié)構(gòu)之間是靠電子對形成的大Π鍵來連接的。隨著時間的推移,碳原子的結(jié)構(gòu)天長日久也會發(fā)生坍塌,裂縫的現(xiàn)象。
長時間的使用后,石墨負極極片上還會產(chǎn)生由未完全嵌鋰的鋰的化合物形成的黑斑,嚴重的話在黑斑中心還會出現(xiàn)明顯的剝離現(xiàn)象。 出現(xiàn)這種情況就說明石墨結(jié)構(gòu)遭到了破壞,這樣一來,鋰離子可就不能隨心所欲地在負極材料上嵌入脫出了。
另外,在負極極片上形成鋰的化合物的過程也會消耗掉一些活性的鋰離子。電池的容量甚至耐用性都會因此而發(fā)生比較大的衰減。 所以綜合看下來,鋰電池的衰減,主要問題就在于可用活性鋰離子的數(shù)量以及正負極材料的活性上。
既然原理都弄懂了,那如果想保護電池,那就從活性鋰離子的數(shù)量和正負極材料的耐久性這兩個方面入手。 由于我們普通消費者一般是沒辦法參與到車輛電池的研發(fā)當中的,所以關(guān)于電池電解液和正負極材料,無論是磷酸鐵鋰電池還是三元鋰電池,買來就不會改變。 我們能做的似乎就只有順應鋰電池的脾氣,盡可能多地保護一下活性的鋰離子了。
鋰電池最敏感的就是溫度,最適宜鋰電池工作的溫度就是20℃-40℃。雖然絕大多數(shù)電動車都有溫控系統(tǒng)來保證電池包工作在最適宜的溫度,但是如果電池長期在北方這種零度以下的條件下工作,溫控系統(tǒng)的作用,就幾乎可以忽略不計了。
因為在低溫的狀態(tài)下,會影響到電解液的性能,舉個例子,如果把這些活性的鋰離子比作正在游泳的運動員,電解液比作泳池中的水,那如果水的溫度很低,甚至結(jié)成了冰,那運動員幾乎就沒辦法繼續(xù)游泳了。
另外在低溫狀況下,化學離子定向遷移的阻抗也會增加,導致電池內(nèi)部的電阻增大。這樣一來,無論是充電還是放電,阻力都會變大,還是拿游泳的例子來說,阻抗大就相當于逆流游泳,在這個過程中,一些活性的鋰離子也會損失掉。 這也就解釋了為什么鋰電池在冬季的續(xù)航表現(xiàn)會大打折扣。
但是外界溫度也是我們用車過程中很難把控的因素,因為很多車主即使在寒冷的冬季,還是需要電動車作為自己的代步工具。 那作為車主,我們能做的到底有什么呢? 第一就是盡量多使用慢充充電樁來充電,因為當使用功率很大的快充樁時,接入的電流就會變得很大,這個時候所有的鋰離子的運動都會加快。
雖然鋰離子的嵌入和脫出都變快了,但是問題在于,這時鋰離子們會變得比較活潑,這時一些鋰離子就比較容易與負極材料產(chǎn)生化合反應,產(chǎn)生碳鋰化合物,也就是前面提到的“黑斑”,這樣一來,一些活性的鋰離子就會減少。
當然,這種“快充加快電池衰減”情況都是相對而言的,就拿一臺在美國服役了5年的特斯拉專車為例,在其23.5萬公里里程,1000多次充電循環(huán)的狀態(tài)下,電池容量還有接近90%。 所以電池的衰減,也沒有那么可怕。
即使每天都快充個2、3次,一年下來,相比較正常充電的狀態(tài)也不過多損耗5%左右。 所以快充帶來的損耗,社長覺得也大可不必擔心,只不過是有條件的情況還是多使用慢充就好。 第二點就是要避免過充或者過放,因為當電池完全充滿時,內(nèi)部的個別電芯的峰值電壓有可能會超過其額定電壓,對陽極材料造成傷害。
好在過度充電的問題,充電樁和車輛的軟件系統(tǒng)已經(jīng)幫我們解決了。因為市面上絕大多數(shù)的充電樁都是經(jīng)過國家標準檢驗的,都具備充滿后自動斷電的功能。 另外很多車型也都具備充電設(shè)置的功能,即充電至90%時自動斷開。所以關(guān)于過度充電,我們也不必擔心。 所以需要我們?yōu)楸pB(yǎng)電池做到的改變,其實就剩下了最后一點,那就是避免將電量全部放空。
這是因為過度放電將會導致負極的石墨材質(zhì)過度釋放鋰離子,這樣一來就會加速石墨的微觀層級結(jié)構(gòu)發(fā)生坍塌。 之前說過負極的石墨結(jié)構(gòu)是鋰離子嵌入脫出的“基地”,那可想而知,基地坍塌了,鋰離子可就沒地方儲存了,帶來的直接影響就是電池容量的下降。 所以最好將電量能夠控制在10%-90%這個區(qū)間,這樣一來,就非常符合鋰電池的性格了,因為淺充淺放是鋰電池最喜歡的工作狀態(tài)。
因為在這個區(qū)間里,鋰離子既不會硬塞進負極材料,發(fā)生沉積,又不會放空,導致極性材料損傷。保護住了正負極材料和活性鋰離子的安全,那么電池的衰減問題就自然會改善很多。 這也是之前一些混動車型的電池故障率低,耐用性高的原因,因為混動的邏輯不會使電池組過度充放電,淺充淺放的狀態(tài)下,電池的循環(huán)壽命會大大增強。
其實所謂淺充淺放也并不困難,因為開慣了電動車的車主們都會留下一個續(xù)航冗余,而這樣的冗余也基本就在10%的電量對應的續(xù)航里程。比如社長就問過一個網(wǎng)約車的司機師傅,他每次去充電站都是在續(xù)航還有30km左右的時候,給繞路、找樁留出冗余。
那這樣看來,他的車滿電續(xù)航是400km,那他留出來的冗余量也基本就是10%左右,所以做到淺充淺放其實并不難。 另外現(xiàn)在的電動汽車都會搭配電池包設(shè)計一個BMS電源管理系統(tǒng),會嚴格控制進出電池的電量,也能提高電池的利用率,輔助我們延長電池的使用壽命。
說了這么多,鋰電池的充放電原理和保護方法就顯而易見了,當然,社長還是要在這再多說一句:切莫讓人服務于電池,我們保護電池也是為了電池能夠更好地服務我們。