人类和充电的终极战争,会有结束的一天吗?

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生活在智能手机的时代的我们,时时刻刻都在面临着生存危机:网络无信号、手机没电量、月底缺流量......

网络无信号?随着移动网络的覆盖面的不断加大,这一问题开始出现得越来越少;月底缺流量?随着流量资费的下降和流量包的办理日趋便捷,以及街角巷头的各家店子都有的免费Wi-Fi,这一问题好像也不再那么突出;手机没电量?没关系,现在手机的电池容量越来越大,手机的电量也会越来越够用...等等,为什么电量还是不够用???

虽然手机和各种电子设备的电池容量正不断提升,但仍然无法完全满足我们的需求。手机和各种电子设备电量的不够用在很多时候让我们不知所措,于是,在各种各样的场合,都可以看到拿着手机、坐着或趴着、在电源附近或是拿着移动电源充电的人。此时此刻,手机的电源线成为了我们的生命线,焦急地等待着电量充满的我们,就像是在产房外焦急地等待着孩子诞生的父亲。

于是我们总会抱有一种小小的期待:随着快充技术的发展,再过几年,会不会真的充电五秒钟,就...就充满了呢?

别做梦了。

为什么电池充电这么慢?首先我们需要了解一下电池充电的过程。

以锂电池为例,电池充电并不是说只是简单地把一定量的电能一口气“塞进”电池就可以了,其充电过程可以分为预充电(涓流充电)、恒压充电、恒流充电等阶段,涓流充电和恒压充电相对较慢,使得电池充满电需要较长的时间。

图丨锂离子电池三阶段充电过程图[1]

预充电:当电池电压较低时,接通电源后电池并不能立刻开始以最大电流进行充电,而是需要先进行预充电,对于大多数锂电池而言,这个阈值电压一般在3.0V以下。

恒流充电:当电压上升到到阈值电压以上,便可以开始加大电流进行恒流充电,此时电池充电电流大,电池电压逐渐上升,充电速度较快。

恒压充电:当充电截止电压过高时,锂电池的循环受命极短。因此,当恒流充电进行到一定程度,电压上升至调节电压值时,便需要控制电压内进行恒压充电,避免充电电压的进一步提升造成的电池循环受命的下降。此时充电电压一定,充电电流逐步降低至充电终止电流。

图丨锂电池的循环寿命会受到充电截止电压的影响[1]

预充电模式(涓流充电):为了弥补电池的自放电和其他与之相连的负载消耗造成的电量下降而进行的补充充电阶段,实际上是恒流充电与恒压充电的组合。

那么,为什么不能无限制地提高充电速度呢?一方面,是由于充电电流或充电电压过高会对锂电池的寿命产生影响。另一方面,则是由于锂电池的枝晶问题尚未解决,对于现在的锂电池而言,充电速度过快时,锂离子来不及进入负极栅格,在负极附近的电解液中聚集,可能会俘获电子成为金属锂。持续生成的金属锂会在负极附近负极长大成为树枝状的晶体,俗称枝晶。枝晶的长大最终可能会刺破正负极间的隔膜,形成短路,因此需要控制充电速度[2]。

图丨两种不同的锂枝晶生长模型[3-4]

随着电池技术的不断发展,以后电池充电所需要的时间会越来越短,这可以说是手机重度依赖者的福音了。但是,生活中受到电池和充电速度限制的并不仅仅只有手机,还有电动汽车、电动自行车等。电动汽车和电动自行车上电量不足时相较手机更为不便:你可以一边充电一边玩手机,但在现有的充电设施下,你却不能一边充电一边继续驾驶着电动车赶路。

对于电动汽车和电动自行车而言,在电量所剩无几却有着急赶路时等待充电显然是不现实的。在这样的情况下,摆在电池行业面前的有几条路。一方面是更快速的充电技术:部分电池厂商制定了在十年内实现锂电池“15分钟完成充电80%以上”的目标,现在的快充技正在快速地发展。但是,“不需要等待充电的那一天”还太遥远,依然需要我们耐心等待。

另一方面则是充换电系统的构想:对于手机而言,没电了换电池已经成为过往,现在的一体式机身使得我们失去了这种选择,但对于电动自行车和电动汽车而言,更换电池则是一种高效方便的选择,前提是,有这样一个完善的系统。这样的构想已经慢慢开始在电动自行车上实施,如雷风新能源针对短途电单车出行所构建的“智慧电池”+“换电站”的能源互联网络,通过共享换电的方式,解决电单车的“电量困境”。

图丨共享电单车充换电管理解决方案

除了共享电单车,人们还开始探索针对个人电单车领域的智能扫码充电方案,以解决电单车充电不便的问题,以及针对外卖、快递等物流行业的智能充电柜和换电系统,以解决配送行业“最后三公里”的续航问题。

图丨 雷风新能源的共享电单车(上)和换电柜(下)

雷风新能源所提出的电单车充换电能源系统便是这样一个系统,这一系统集智能扫码充电、智能电池充电柜、共享换电于一体,为配送行业和个人电单车用户提供更为便捷和安全的充换电服务。

图丨智能充换电能源网络的构想

在充电技术尚不能实现“充电五分钟,续航百公里”的现在,雷风新能源智能充电柜和共享换电方案可以说是为了让出行更为便捷所走出的试探性的一步。在电单车上的这一尝试未来可能会逐步推广应用至电动汽车行业,相较于电单车领域,在电动汽车行业推广这一系统可能会面临着更多地困难,但为了出行更为便捷,或许,值得一试。

参考文献

[1] 刘红兵, 郭辉. 锂离子电池管理系统充电策略及其温度影响[J]. 电源技术. 2016(10): 1939-1940.

[2] 梁杰铬, 罗政, 闫钰, 袁斌. 面向可充电电池的锂金属负极的枝晶生长:理论基础、影响因素和抑制方法[J]. 材料导报A: 综述篇, 2018(6): 1779-1786.

[3] Wang D, Zhang W, Zheng W, et al. Towards high-safe lithium me-tal anodes: Suppressing lithium dendrites via tuning surface energy [J]. Advanced Science, 2007, 4(1) : 160-168.

[4] Ding F, Xu W, Graff G L, et al. Dendrite-free lithium deposition via self-ranging electrostatic shields mechanism[J]. Journal of the American Chemical Society, 2013, 135 (11) : 44-50.

评论 (1) 只看楼主

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  • 1楼
    2018-11-08 16:56 TcJackie 只看Ta

    换电站如果能铺开的话,确实会让电动单车出行变得更加便捷易用,再也不用担心没电推着走了~

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