在電動汽車廣泛應(yīng)用的當(dāng)下，快速充電技術(shù)為人們帶來了極大的便利。然而，不少車主和專業(yè)人士都發(fā)現(xiàn)，頻繁使用快速充電會導(dǎo)致汽車電池容量出現(xiàn)下降的情況。這一現(xiàn)象引發(fā)了廣泛的關(guān)注和討論，而探究其背后的原因，對保障電動汽車電池的健康使用和延長電池壽命具有重要意義。
溫度升高加速電池老化
快速充電時，充電設(shè)備會以高于標(biāo)準(zhǔn)充電電流數(shù)倍甚至數(shù)十倍的電流為電池充電。大電流的通過會使電池內(nèi)部產(chǎn)生大量的熱量，導(dǎo)致電池溫度急劇上升。我們都知道，化學(xué)反應(yīng)的速率通常會隨著溫度的升高而加快，電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)也不例外。當(dāng)電池溫度升高后，電池內(nèi)部的各種化學(xué)反應(yīng)加速進(jìn)行，這就如同給電池的老化按下了 “快進(jìn)鍵”。在高溫環(huán)境下，電池的活性材料會加速分解，電極材料的結(jié)構(gòu)也會逐漸遭到破壞，從而影響電池的性能和壽命。
例如，當(dāng)電池溫度長時間處于較高水平時，電池中的電解液可能會發(fā)生分解，產(chǎn)生氣體，導(dǎo)致電池內(nèi)部壓力增大，進(jìn)而使電池的密封性受到影響。此外，高溫還會使電極材料的晶格結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，降低鋰離子在電極材料中的嵌入和脫出效率，最終導(dǎo)致電池容量的下降。而且，一旦電池溫度超過了其正常工作范圍，散熱系統(tǒng)如果無法及時有效地將熱量散發(fā)出去，就可能會引發(fā)熱失控，嚴(yán)重時甚至?xí)?dǎo)致電池起火、爆炸等安全事故。
電芯極化現(xiàn)象加劇
在快速充電過程中，大電流的通過會加劇電池內(nèi)部電芯的極化現(xiàn)象。所謂極化，是指在電池充放電過程中，由于電流的存在，電極電位偏離其平衡電位的現(xiàn)象。當(dāng)極化現(xiàn)象發(fā)生時，電池的內(nèi)阻會增大，這意味著在相同的電流下，電池內(nèi)部產(chǎn)生的熱量會更多，進(jìn)一步加劇了電池的溫度上升。
隨著極化現(xiàn)象的加劇，電池的充放電效率會降低，電池的實際可用容量也會隨之減少。電極偏離平衡電位的程度越大，電池在充放電過程中所需要克服的能量障礙就越高，這就使得一部分電能無法有效地轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲存起來，或者在放電時無法完全釋放出來，從而導(dǎo)致電池容量的損失。而且，長期處于高極化狀態(tài)下的電池，其電極材料的性能會逐漸惡化，最終影響電池的整體使用壽命。
電芯析鋰現(xiàn)象產(chǎn)生
快速充電還容易導(dǎo)致電池內(nèi)部電芯出現(xiàn)析鋰現(xiàn)象。在正常的充電過程中，鋰離子會有序地嵌入到負(fù)極材料中。但在快速充電狀態(tài)下，由于電流過大，鋰離子來不及均勻地嵌入負(fù)極材料，就會在負(fù)極表面直接析出金屬鋰。這是因為在快速充電時，電池內(nèi)部的溫度分布不均勻，正極溫度高于負(fù)極，導(dǎo)致負(fù)極溫度過低，從而引發(fā)析鋰效應(yīng)。
析鋰現(xiàn)象對電池的危害是多方面的。首先，析鋰會減少電池中鋰離子的數(shù)量，而鋰離子是電池實現(xiàn)充放電功能的關(guān)鍵物質(zhì)，鋰離子數(shù)量的減少直接意味著電池容量的降低。其次，析出的金屬鋰是一種非?；顫姷慕饘?，它在電池內(nèi)部可能會與電解液等其他物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)一步破壞電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和化學(xué)平衡。而且，隨著析鋰現(xiàn)象的不斷積累，金屬鋰可能會形成鋰枝晶，鋰枝晶會不斷生長，當(dāng)它生長到一定程度時，就可能會刺穿電池的隔膜，導(dǎo)致正負(fù)極短路，引發(fā)電池?zé)崾Э?，?yán)重威脅電池的安全。
電極材料結(jié)構(gòu)變化
一項由阿貢國家實驗室和伊利諾伊大學(xué)厄巴納 - 香檳分校聯(lián)合進(jìn)行的研究揭示了電動汽車快速充電對鋰離子電池性能衰減的深層次原因。研究發(fā)現(xiàn)，在高速率充電下，不僅僅是電鍍效應(yīng)，電池在充放電過程中陽極的化學(xué)反應(yīng)也扮演著關(guān)鍵角色。在石墨電極中，即使是少量的高倍率循環(huán)也會造成顯著的無序，影響鋰離子的嵌入和電鍍過程。這種無序并非均勻分布在顆粒內(nèi)部，而是呈現(xiàn)出反應(yīng)異質(zhì)性，對電池的長期可靠性構(gòu)成挑戰(zhàn)。
研究人員通過掃描電子納米衍射技術(shù)觀察到，石墨顆粒在原子層面的結(jié)構(gòu)扭曲，使得鋰離子在嵌入過程中遭遇阻礙。電池充電速度越快，石墨原子網(wǎng)絡(luò)的扭曲越嚴(yán)重，阻礙了鋰離子的移動，這是導(dǎo)致性能損失的關(guān)鍵因素。在快速充電中，不僅陽極表面會出現(xiàn)電鍍，內(nèi)部孔隙中也會積累反應(yīng)產(chǎn)物，導(dǎo)致陽極膨脹，從而損害電池性能。這些電極材料結(jié)構(gòu)的變化，都直接影響了電池的容量和性能。
雖然快速充電為電動汽車用戶帶來了極大的便利，但從上述分析可以看出，它確實會對汽車電池的容量產(chǎn)生負(fù)面影響。為了保護(hù)電池，延長其使用壽命，車主在日常使用中應(yīng)盡量遵循 “日常慢充、緊急快充” 的原則。在家中有條件安裝家用充電樁的情況下，優(yōu)先選擇慢充，因為在同樣表顯 100% 的情況下，慢充的續(xù)航會比快充多 15% 左右，這是由于快充時電流大、電池溫度上升、化學(xué)反應(yīng)不充分導(dǎo)致的 “虛電”。同時，要按照車輛使用說明正確充電，避免過度充電和頻繁快充，以確保電池能夠保持良好的性能和健康狀態(tài)。隨著電池技術(shù)的不斷發(fā)展，相信未來會有更好的解決方案來平衡快速充電與電池壽命之間的關(guān)系，讓電動汽車的使用更加便捷和可靠。
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