锂电池快充技术对电池材料与组成结构的要求

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关于快充常见问题的几个科普回答
　　首先介绍电池充电中的“C”的概念。这个概念非常重要，是电池讨论分析中最常用的术语。电池中的倍率缩写是Current-Rate--“A C rate is a measure of the rate at which a battery is discharged relative to its maximum capacity. A 1C rate means that the discharge current will discharge the entire battery in 1 hour.” 就是电池在规定的时间内放出其额定容量所输出的电流值，1C表示用1个小时将电池电量放完所需要的电流大小。2C就表示0.5小时放完所需要的电流大小。倍率越大，也就意味着电流越大。
　　之后就是快充的定义：顾名思义，快充即对二次可充放电池的快速充电的过程，其实多快算快，多快就不算快也没有一个特别严格的定义，但是一般情况下可以简单化的理解为在小于1小时内充电的制度(即充电速率大于1C)。知乎上经常有人咨询笔者各种快充的问题，在这里，笔者首先要强调几个概念，供科普用：
　　1) 电池的充电一般都是靠测量其电压来测定充放电程度的，使用库仑计的是少数，而这种情况下电池充/放电的电量显示实际上只是一个电池实时电压的换算关系。快充与慢充相比，会带来很大的过电压(电流变大，U=IR，电池内阻会贡献更大的过电压)，化学扩散反应也会跟不上，此时虽然电池可能表面上充到了一个高电压值而显示电量很高，实际上并没有充进那么多电，一个实例如下图所示：

保证电池安全靠谱的快充技术
　　该图中，同种材料经不同优化工艺后，倍率性能不同(左差右好)，在5C高倍率充放电制度下虽然都充到了4.5V(体现为充“满”)，但是实际上可用的容量差别很大，一个为75mAh/g，一个为108mAh/g。
　　2) 所以实际上，任何电池其实都能快充充“满”电，在这里的“满”其实只是电压提了上去，无法与充入的电量/能量直接线性比例地对应起来。而且在这些时候，大电流充电会导致焦耳发热效应加剧(Q=I2Rt)，并带来电池内的材料副反应分解、产气等一系列问题，危险系数骤然增加，至于此条件下电池的寿命就更不用提了，非功率型电池的寿命必然会大幅缩短：因此其实是大部分厂家自己为了安全可靠，出于综合考虑，厂家设计了电路为电池限定了充电电流的上限，不让大家使用快充。
　　3) 所以如果电池想要快充，对于其功率相关的性能要求也就更高，内阻低就是很重要的一条(Q=I2Rt，小的电阻值R可以减少焦耳发热量)，在这种情况下，使用高电导的电极材料(碳包覆，改性提高锂扩散系数，减小粒径缩短扩散路径)、使用更多的导电剂、涂布更薄的电极(让传质扩散距离变短)都是典型的功率快充型电池的设计思路。以上这些设计理念当然也会与追求能量密度的目标有所冲突，鱼与熊掌不可兼得。

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　　4)满足3)中所述特性的功率型电池，比起能量型电池更为适合快充，这意味着其内阻小，充电发热量低，副反应更少，安全性能更好，比起能量型/那些大部分不适合快充的电池，在大电流快充时其电压与充入电量/能量的对应关系更优，通俗的讲就是：发热少，更安全，真的能充进那么多电，而不是只是显示着好像能充进去。
　　5)老生常谈的一个简单判据，如果有人吹嘘他的快充技术，你一定要折算一下充电功率，然后看看这个充电功率需要对应多粗的电线，单这一条判据就足够筛走90%不靠谱的快充假新闻了。