電動(dòng)車發(fā)展的主要矛盾是什么？在不久之前，是續(xù)航里程，單次充電NEDC續(xù)航200/300km確實(shí)不太夠用。但隨著時(shí)間的車輪向2020年碾去，大部分新車的續(xù)航已經(jīng)來到500km以上，主要矛盾已經(jīng)逐漸切換為了充電問題。

500km的NEDC續(xù)航上高速一般也可以達(dá)到300km的續(xù)航能力，差不多2小時(shí)多的連續(xù)行駛之后，進(jìn)服務(wù)區(qū)休整一下也合適，如果車輛能夠在30分鐘內(nèi)完成補(bǔ)能，那么就不會(huì)對(duì)整個(gè)行程造成壓力。如果進(jìn)一步，充電能夠在5-10分鐘左右完成，那么體驗(yàn)和燃油車就不會(huì)有太多的差別。而且充電快了之后，同一個(gè)充電樁/充電車位的利用率也會(huì)改善。

那么10分鐘完成充電離我們有多遠(yuǎn)？說遠(yuǎn)不遠(yuǎn)，賓夕法尼亞州立大學(xué)的研究人員10月30日在《焦耳》雜志上發(fā)表的研究表明，新開發(fā)的鋰電池已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)10分鐘補(bǔ)充200英里（320公里）續(xù)航，充電功率高達(dá)400kW，循環(huán)壽命也能夠達(dá)到1700次。

試驗(yàn)人員將電池加熱到60℃進(jìn)行短時(shí)間的大功率充電，并在較低溫度下放電，從而避開了低溫高電流充電造成的析鋰現(xiàn)象（陽極周圍的鋰離子被大電流不可逆地還原為鋰金屬，電鍍?cè)陔姌O表面，從而造成可用鋰離子減少容量降低，并且電極反應(yīng)面積減小，更危險(xiǎn)的是會(huì)形成如樹枝狀的鋰枝晶，刺穿隔膜，造成電池內(nèi)部短路）。

這項(xiàng)技術(shù)的核心在于極為迅速地加熱電池以及快速的降溫，從而避免電池長(zhǎng)時(shí)間工作于高溫環(huán)境，賓夕法尼亞州立大學(xué)機(jī)械工程師王朝陽（Chaoyang Wang）稱，他們改進(jìn)了電池設(shè)計(jì)，增加了自加熱的鎳箔結(jié)構(gòu)，可在不到30秒的時(shí)間內(nèi)預(yù)熱。“這項(xiàng)研究表明，在有限的暴露時(shí)間下，在高溫下減輕析鋰的好處遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了高溫加劇副反應(yīng)帶來的負(fù)面影響?！?/p>

除此之外，這種新型的能接受大功率充電的電池還需要高度穩(wěn)定的電解質(zhì)和活性材料。怎么制備這種材料也是個(gè)看著就讓人頭大的大學(xué)問。

有多頭大？隨便給你找兩個(gè)研究案例：Toshiki Nokami等人通過密度泛函理論計(jì)算，設(shè)計(jì)出了有機(jī)芘-4,5,9,10-四酮接枝PMMA（Polymer-Bound Pyrene-4,5,9,10-tetraone）鋰離子正極材料，這種材料可作為優(yōu)秀的正極骨架結(jié)構(gòu)，具有卓越的快速充放電能力。

看不懂？沒事，我也看不懂。好吧，把鋰電池材料工藝的進(jìn)化交給研究者，那么，在現(xiàn)有的鋰電池條件下，有什么手段可以加快充電速度嗎？有，并非單純的加大充電電流，如今的快充技術(shù)通過控制充電的方式，同樣可以起到加速充電的作用。

★快速充電的理論基礎(chǔ)：馬斯三定律

制約充電速度的因素主要出于安全與壽命考慮，要提高充電速度，首先我們必須要知道，在安全的前提下，電池充電電流最大能達(dá)到多少？美國科學(xué)家馬斯以蓄電池充電時(shí)產(chǎn)生氣體最少（不對(duì)電池產(chǎn)生危害）為前提，研究蓄電池能夠接受的最大充電電流（使充電速度最快），從而獲得了一條最優(yōu)曲線：馬斯理想充電曲線，可以用以下公式來表達(dá)：

馬斯三定律用來描述兩個(gè)未知數(shù)α和I_0。雖然當(dāng)年馬斯的研究對(duì)象是鉛酸蓄電池，但其基本原理卻是放諸四海而皆準(zhǔn)，不能定量卻可以定性指導(dǎo)鋰電池快充技術(shù)的發(fā)展。

馬斯三定律的基本定義如下：

用白話文來說，第一定律表明如果以同樣電流放電，放電越多，充電越快，這也可以解釋了為什么充電時(shí)，電量低充電快，而電量足的時(shí)候充電慢。第二定律指的是放電時(shí)候電流越大，充電時(shí)候的電流也可以更大，充電越快；第三則表明充電電流不是由某一個(gè)放電階段決定的，而是整個(gè)過程共同影響的疊加，帶負(fù)脈沖的脈沖充電法便可以用馬斯三定律進(jìn)行解釋：在充電之前或者過程中適當(dāng)（快速）放電可以提高充電電流接受比。

★充電的基本方法

下面介紹三種充電的基本控制方法，其他的基本可以視為這幾種方法的組合與拓展。

1.恒流充電法。通過調(diào)整充電裝置的電壓或者改變蓄電池串聯(lián)電阻的方式是充電電流保持不變的充電方法，由于電池可接受電流能力隨著充電過程逐漸下降，因此如果始終保持較高電流恒電流充電的話，電池?zé)o法接受的電流被用于電解水，產(chǎn)生氣體，一方面浪費(fèi)的能源，降低了效率，另一方面，也會(huì)造成電池的不可逆損耗并發(fā)生危險(xiǎn)。因此，恒流充電一般只作為充電的一個(gè)階段。

2.恒壓充電。恒流充電控制電流，而恒壓充電則控制施加在電池兩端的電壓。隨著充電的進(jìn)行，電池電動(dòng)勢(shì)增加，充電電流會(huì)逐漸減小，因而恒壓充電在充電中后期對(duì)電池較為友好，但充電初期，由于電池電動(dòng)勢(shì)很小，充電電流就會(huì)顯得很大，危害電池安全。另外在充電末期，由于各種活化過電壓的存在，充電電流過小，可能會(huì)造成充電不足。前期電流過大而末期過小，試驗(yàn)結(jié)果顯示會(huì)影響電池使用壽命。

3.階段充電法。由于恒壓和恒流單獨(dú)使用存在各種問題，因此要將他們組合起來使用。如多段恒流、充電初期用大電流恒流，當(dāng)達(dá)到一定電壓后改用較小的電流；多段恒壓；當(dāng)前最常用的恒流恒壓充電法，在充電初期采用恒電流充電，電流較大，充電速度較快，后期用恒壓充電，結(jié)合了兩者的優(yōu)點(diǎn)；以及階段更多的恒流恒壓涓流充電等等。

這幾種充電方法共同的特征是連續(xù)充電，他們沒有考慮到電池在充電過程中必然發(fā)生的極化現(xiàn)象。電池循環(huán)初期還好，隨著循環(huán)測(cè)試增加，電池老化，極化現(xiàn)象會(huì)越發(fā)明顯。從而使電池電壓在恒流充電快速上升，達(dá)到臨界值而切換為恒壓充電，充電速度降低。

極化現(xiàn)象是什么？簡(jiǎn)單來說，電池在充電過程中的極化就像倒可樂，倒的越快，越多，杯中產(chǎn)生的泡沫越多，很快就倒?jié)M，乃至溢出了，但此時(shí)杯中實(shí)際上只有半杯可樂，剩下半杯都是泡沫。對(duì)應(yīng)于充電，那就是虛電。關(guān)于極化的具體內(nèi)容，我們下期講堂繼續(xù)。

最后做一個(gè)總結(jié)：快充技術(shù)的發(fā)展一方面需要電池制造技術(shù)的支持（提高天花板），而另一方面也需要摸索出現(xiàn)有電池的極限（天花板之下搭盡可能高的梯子），單純搭梯子（充電）很簡(jiǎn)單，但如何又好又快地搭梯子，讓搭的梯子更加堅(jiān)固（電量“實(shí)”），就需要遵循這期講的馬斯三定律。

本文作者為踢車幫 Route 64