在电动车使用早期,其性能主要体现在蓄电池的放电特性上,而在汽车上则主要表现为动力和耐久性。直到一段时间后,汽车使用者们才能了解到电池的其它特点。在对电池放电性能,电池寿命,成本和内部电阻进行了探讨之后,我们将在这里介绍电池的充电和放电。
1带电性能
电池组的充电性能,特别是充电时间,一直是使用者关心的问题。而且,一次又一次的充电,也是很多传统车型对电动车的抱怨。不过,对于不同型号的汽车,其实也不必都去追求快速充电。像是清洁工、巡逻车这些对机动性能要求不高的汽车,根本不需要花费太多的钱去充电。对于普通的乘用车来说,如果是快速充和低速充两种模式的话,肯定会有一些生活习惯比较稳定的人,会选择充电速度不够快的。
影响电池充电性能的因素。
电芯本身的特性。从微观角度来看,充电是由负极向阴极迁移并嵌入到正极的过程。在此过程中,活动性锂离子的移动愈平稳,正向的运动功率愈大,充电障碍愈少,充放电电流愈大。所以,阻碍大电流充电的主要特点,就是电池内部的充电。在高功率工作状态下,电池内极化电阻随电流的增加而增加,很快就会到达关断状态,并完成充电,从而降低了电池的可用电量。
电池组的散热性能。除了电池本身的充放电容量之外,电池的散热也是一个很大的制约因素。当电芯本身的状态被决定时,电芯会产生热,会导致电容器内部的温度升高。如果让它继续发展下去,那么在没有完全充电之前,电池的温度就会达到允许的极限。所以,为快速充电池组配上适当的散热器是提高充电器容量的一个先决条件。
什么因素会影响充电内部电阻?
充电内阻包括两个方面,一个是欧姆内阻,一个是极化内阻,两者均受温度的影响。欧姆电阻是由电池内传导元件本身的电阻组成,相对来说是较为稳定的元件,只会受到温度的影响。充电电流是影响极化内部电阻的重要因素。
极化内部电阻分为两大类:一是浓差极化,二是电化学极化。极化现象主要包括两个方面,第一个原因就是在电池的电极上产生了氧化膜、钝化膜、吸附膜等不同的膜,这些膜在经过的过程中会产生一定的电阻,而在电极与电解质的界面上会产生一种电化学极化的电容。第二种是在充放电时,离子穿过薄膜,进入到电解质或固体材料中,在外电位和浓差作用下,发生了对流和扩散的现象,这就是浓差极化电压。
极化电阻与温度的关系。研究表明,在低温环境下,电化学极化是影响电池充电和放电性能的主要因素,而在试验中,浓差扩散阻抗逐渐显现;而在较高的温度下,反应物的活性显著增加,电化学反应速度加快,电化学阻抗减弱,而浓差极化则是电化学阻抗中的一个主要因素。
极化电阻随 SOC阶段的变化而变化。在 SOC极点时,极化阻抗显著大于其它 SOC条件下的极化阻抗,但产生的机理不同: SOC在低端时,正极的锂离子浓度较高,而内部的锂离子需要通过更长的固相扩散通道,以提供更多的电离量,从而使电阻值增大;而 SOC在较高的位置,则与其低端的情况正好相反,其阻抗主要受到负电极的固相扩散系数及通道尺寸的限制;由于 SOC位于中间位置,因此,锂离子的埋入和迁出通道都较短,且易于实施,且显示出的阻抗较低,且具有很强的嵌入与迁出能力,能够在较短的时间内完成高效率的电流充放电。
1)先天因素对自放率的影响
为什么开路的电池会失去充电?对电池的固有效应主要来源于电池内部的电化学物质的损耗以及电芯内部的短路。电芯材料损耗是不可逆的,它会导致电芯的容量损耗,损耗的大小反映了电容的回复能力;由于短路而导致的电力损耗,电力的损耗,而电力的容量则不会受到这些反应的影响。
容量损耗导致的电力损耗(不可逆)与仅有的电能损耗(可逆)之和称为自放电。
电化学物质的副作用
材料的不良反应主要集中在正极材料、负极材料和电解质三个方面。
正极材料,主要是各种锂的化合物,它们都会和电解质发生一定的反应,根据环境的不同,反应的强度也会有很大的差别。正极材料与电解质发生化学反应,产生不能溶解的物质,从而使其不能逆转。参与了该反应的正极物质,会丧失原有的结构,从而使电池丧失对应的电量和永久的容量。
而作为负极材料,石墨负极本身就有与电解质发生反应的能力,所以在转化的时候, SEI薄膜会粘在电极的表面,从而阻止了电极与电解质的剧烈反应。但是,通过 SEI薄膜的缺陷,这种反应也是很小的。在电解质溶液中,电解质与负电极发生化学反应,并在此过程中消耗了锂和负电极。响应会造成电力损耗,但也会造成电池的最大容量损耗。
电解质,除了与正、负两种元素发生反应之外,还会与其他物质、正负物质发生反应,从而产生不可逆的物质,从而导致锂离子的数量下降,从而导致电池的最大容量损耗。
内短路
在电池的制作中,不可避免的会掺杂一些杂质,这些杂质的性质很复杂,甚至会导致正负电极之间的电流被稍微打开,从而中和掉电荷。
集流的大小偏差和加工中的毛刺,也会导致正、负两个电极的导电。在电芯寿命早期,仅有高自放电现象,随着时间的推移,其发生正、负最大范围短路的概率也会增加,这是导致电池热失控的主要原因之一。