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三星NOTE7的爆炸,换来快充技术的崛起

来源:  发布时间:2018-09-10   点击量:112

前年,三星Note7的电池爆炸事件,引发了全球市场的关注。三星电子随后相继召回全球约250万部Galaxy Note 7设备,此举据估算花费该公司约1万亿韩元(9.04亿美元)的成本。此次电池质量事件,究其原因由电芯缺陷引发的,是快充技术惹的祸!

如今智能手机仍在持续升级,无论在屏幕尺寸还是硬件性能都在不断飙升,可唯独电池续航无法得到质的提升。在其他部件技术正在快速发展的同时,电池技术并没有同步得到发展,已经被远远甩在后面。正因如此,手机的续航能力成为用户日常使用手机最头疼的问题。而快速充电可以说是因为在目前这个环境下推出的一个更有效的手法。


快充技术

讲快充技术必须先了解电池充电中的“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)。

快充技术的基本概念

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:

2、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、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。

三星NOTE7的爆炸,让快充技术重见天日

4、满足上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。

快充技术对于电池的要求

如果电池想要快充,对于其功率相关的性能要求也就更高。那么电池就要提升功率性能,需要在电池整体的各个环节中都下功夫,主要包括正极、负极、电解液、隔膜和结构设计等。

1、正极

各种正极材料几乎都可以用来制造快充型电池,主要需要保证的性能包括电导(减少内阻)、扩散(保证反应动力学)、寿命(不需要解释)、安全(不需要解释)、适当的加工性能(比表面积不可太大,减少副反应,为安全服务)。当然,对于每种具体材料要解决的问题可能有所差异,但是我们一般常见的正极材料都可以通过一系列的优化来满足这些要求,但是不同材料也有所区别:

A、磷酸铁锂可能更侧重于解决电导、低温方面的问题。进行碳包覆,适度纳米化(注意,是适度,绝对不是越细越好的简单逻辑),在颗粒表面处理形成离子导体都是最为典型的策略,相关有大量的文献以及企业的研究成果报导,在国内,CATL和BYD等企业都在磷酸铁锂的优化方面有自己的特色。

B、三元材料本身电导已经比较好,但是其反应活性太高,因此三元材料少有进行纳米化的工作(纳米化可不是什么万金油式的材料性能提升的解药,尤其是在电池领域中有时还有好多反作用),更多在注重安全性和抑制(与电解液的)副反应,毕竟目前三元材料的一大命门就在于安全,近来的电池安全事故频发也对此方面提出了更高的要求。

C、锰酸锂是则对于寿命更为看重,目前市面上也有不少锰酸锂系的快充电池。

三星NOTE7的爆炸,让快充技术重见天日

锂离子电池的电化学原理示意图

2、负极

锂离子电池充电的时候,锂向负极迁移。而快充大电流带来的高过电位会导致负极电位更负,此时负极迅速接纳锂的压力会变大,生成锂枝晶的倾向会变大,因此快充时负极不仅要满足锂扩散的动力学要求,更要解决锂枝晶生成倾向加剧带来的安全性问题,所以快充电芯实际上主要的技术难点为锂离子在负极的嵌入。

A、目前市场上占有统治地位的负极材料仍然是石墨(占市场份额的90%左右),根本原因无他--便宜(你们天天嫌电池贵!),以及石墨综合的加工性能、能量密度方面都比较优秀,缺点相对较少。石墨负极当然也有问题,其表面对于电解液较为敏感,锂的嵌入反应带有强的方向性,因此进行石墨表面处理,提高其结构稳定性,促进锂离子在基上的扩散是主要需要努力的方向,CATL在这方面做了很多非常先进的工作,有效地提升了石墨负极的综合性能。

B、硬碳和软碳类材料近年来也有不少的发展:硬碳材料嵌锂电位高,材料中有微孔因此反应动力学性能良好;而软碳材料与电解液相容性好,MCMB材料也很有代表性,只是硬软碳材料普遍效率偏低,成本较高(而且想像石墨一样便宜恐怕从工业角度上看希望不大),因此目前用量远不及石墨,更多用在一些特种电池上。

C、另外,钛酸锂的优点是功率密度高,较安全,缺点也明显,能量密度很低,按Wh计算成本很高。因此钛酸锂电池是一种有用的在特定场合下有优势的技术,但是对于很多对成本、续航里程要求较高的场合并不太适用。

D、硅负极材料是重要的发展方向,松下的新型18650电池已经开始了对此类材料的商用进程。但是如何在纳米化追求性能与电池工业对于材料的一般微米级的要求方面达到一个平衡,仍是比较有挑战性的工作。

3、隔膜

对于功率型电池,大电流工作对其安全、寿命上提供了更高的要求。隔膜涂层技术是绕不开的,陶瓷涂层隔膜因为其高安全、可以消耗电解液中杂质等特性正在迅速推开,尤其对于三元电池安全性的提升效果格外显著。陶瓷隔膜目前主要使用的体系是把氧化铝颗粒涂布在传统隔膜表面,比较新颖的做法是将固态电解质纤维涂在隔膜上,这样的隔膜的内阻更低,纤维对于隔膜的力学支撑效果更优,而且在服役过程中其堵塞隔膜孔的倾向更低。涂层以后的隔膜,稳定性好,即使温度比较高,也不容易收缩变形导致短路,清华大学材料学院南策文院士课题组技术支持的江苏清陶能源公司在此方面就有一些代表性的工作,隔膜如下图所示。

三星NOTE7的爆炸,让快充技术重见天日

涂布固态电解质纤维的隔膜

4、电解液

电解液对于快充锂离子电池的性能影响很大。要保证电池在快充大电流下的稳定和安全性,此时电解液要满足以下几个特性:A)不能分解,B)导电率要高,C)对正负极材料是惰性的,不能反应或溶解。如果要达到这几个要求,关键要用到添加剂和功能电解质。比如三元快充电池的安全受其影响很大,必须向其中加入各种抗高温类、阻燃类、防过充电类的添加剂保护,才能一定程度上提高其安全性。而钛酸锂电池的老大难问题,高温胀气,也得靠高温功能型电解液改善。

5、电池结构设计

典型的一个优化策略就是叠层式VS卷绕式,叠层式电池的电极之间相当于是并联关系,卷绕式则相当于是串联,因此前者内阻要小的多,更适合用于功率型场合。另外也可以在极耳数目上下功夫,解决内阻和散热问题。此外使用高电导的电极材料、使用更多的导电剂、涂布更薄的电极也都是可以考虑的策略。

三星NOTE7的爆炸,让快充技术重见天日

手机市场的主流快充技术方案

从小型的电子产品到大型的电动汽车,甚至电动公交车,各大品牌厂商都在快充技术上下足了功夫。

在电子产品市场,现在比较成熟的快充技术方案已经陆续研发出来了。主要的快充实现方式是:电压不变,提高电流;电流不变,提升电压;电压、电流均提高。从OPPO推出VOOC闪充方案后,各家的快充方案不断出现。目前高通、MTK、Intel阵营都在主导自有标准的快充方案。

1、高通Quick Charge 3.0

高通发布了最新的快充技术Quick Charge 3.0。

高通Quick Charge 2.0快充技术将充电电压从5V提高到9V(最高至12V),充电电流则由1A提升到1.6A(最大3A)。根据高通官方给出的数据,QuickCharge 2.0能够在30分钟内为一款电池容量为3300mAh的智能手机充入60%的电量。

在不改变Microusb充电接口的前提下,同时提高电流和电压,让手机充电速度飞跃提升,节省了不少等待时间,这一新技术得到了手机厂商的推崇,引起了用户和媒体的持续关注。自高通Quick Charge 2.0的发布之后,各大电子品牌相继推出了融合各自特点的快充方案及搭载相关方案的产品。

三星NOTE7的爆炸,让快充技术重见天日

而Quick Charge 3.0采用INOV最佳电压智能协商算法后,则以200mV增量为一档,提供从3.6V到20V电压的灵活选择。这将允许手机等移动终端获得恰到好处的电压,达到预期的充电电流,从而最小化电量损失、提高充电效率并改善热表现。现在快充技术与USB Type-c的结合,更是将易用性与实用性推向新高度。

三星NOTE7的爆炸,让快充技术重见天日

Quick Charge 3.0正式推出,并将在部分高通骁龙处理器中以选配形式提供,包括骁龙820、652、650、625、617、435和430处理器。

2、OPPO VOOC闪充技术

OPPO在快充技术的研究上也占了一席之地。OPPO的VOOC是首批商用的快充技术之一,与其他提升电压的技术不同,OPPO在不改变电压的输出情况下,采用了5V大电流输出,从而提升充电速度。 

三星NOTE7的爆炸,让快充技术重见天日

OPPO在Find 7上首次尝试自主研发的VOOC闪充技术,输出规格为5V/4.5A(22.5W),实际测试确实效果突出,从23%充到100%只用了一个小时。OPPO N3则配备了全新升级和改良的二代VOOC闪充,输出规格提升到5V/5A(25W),官方称30分钟即可完成从0-75%的快速充电。到现在的OPPO R5、R7充电速度更快,性能更强劲。R7更是打出了 “充电5分钟,通话2小时”的彪悍广告语,证明了OPPO在快充技术方面的实力。

目前,OPPO的VOOC闪充技术应用于自家的OPPO Find7、N3、R5、R7等系列产品,市场反响不错。

作为OPPO的独门绝技,该充电技术是一整套定制的电路、电芯、接口、数据线,配以智能MCU芯片的适配器,针对OPPO手机量身打造,并不适用于其他手机。这是OPPO vooc技术推广的短板。

3、MTK Pump Express Plus充电技术

MTK的Pump Express Plus充电技术是通过提升电压的方式,来提高充电速度,实现快充的。已经在MT6595、MT6732等平台开放Pump Express Plus充电技术,前者为快速直流充电器提供的输出功率小于10W(5V),后者为充电器提供的输出功率大于15W(高达12V)--充电30分钟可将2060mAh的手机电池电量从0%充到75%。最大输出电压是12V,以便安全可靠地输送15W以上或更高的电能。其最大充电速度比传统充电器快45%,它能够更加高效地向电池输送电能,从而缩短充电时间。

MTK的Pump Express Plus充电技术还有一个绝招,减少恒流充电时间,通过检测手机充电过程中根据电池电压、电量和温度等参数动态,来不断调整恒流阶段的充电电压,实现电池的快速充电。

目前搭载MTK Pump Express Plus充电技术的电子产品不多,主要有以下几个:

Koobee Halo3是首款具备MTK Pump Express Plus技术的手机 。高速闪充功能让手机只需要半个小时的充电时间,就能将Halo3充至75%。同时,Koobee Halo3还进行了特殊的电路开关设计,使得用户在享受闪充带来的高速充电体验的同时,不必担心安全问题。 

三星NOTE7的爆炸,让快充技术重见天日

魅族MX5也可能采用MTK Pump Express Plus充电技术。有人预测,如果MX5采用MT6795八核处理器,将会选择MTK快充。魅族MX5的充电器为UP1220,输入支持100-240V全球宽幅电压; 输出共有三档,分别是5V、9V、12V,都是2A,输出功率高达24W。 

总体来说,MTK Pump Express Plus通过提升电压、搭配电流检测的方式,实现电池快充的技术还是很不错的。

4、TI MaxCharge快充技术

叫阵高通和联发科,TI也推出了移动快充协议MaxCharge。TI遵循的快充原则是电流电压同时提高,实现电池快充。

TI发布了三款快充IC,与现有的5V2A输入充电速度相比,这三颗IC输入电流高达5A,将充电电流提升了一倍以上,最高可将充电时间减少60%,让用户可以实现快速充电的同时又不会受到发热过量的困扰。TI带来的MaxCharge快充技术不止充电电流彪悍,输入电压最高可达14V,从而向下兼容高通QuickCharge2.0的9V、12V两档电压,而对MTKPumpExpress的7V、9V、12V支持也更不在话下。 

三星NOTE7的爆炸,让快充技术重见天日

强大的性能可能会让TI在接下来的时间里,收到市场欢迎。但是TI的较高的成本价,可能会让低端品牌望而却步。

5、其他快充技术

苹果公司在快充技术上也推出了自家的解决方案,采用提高电压的方法,实现Apple 20V快充技术。未来iOS 或将配备输出6V到20V的充电器,打破现在5V的充电器限制。iPhone可以使用最高20V的充电器来充电。 

快速充电对于我们日常生活的便利其实都非常直观,核心无非在于省时间这一点--电动汽车如果可以像汽油车一样几分钟就可以恢复最大续航;手机迅速充满(比如VIVO OPPO等手机的技术,其中CATL为其提供快充型电池做出了相当的贡献),不用为了电量总是焦虑。但是快充电池的潜在贡献远不只在此,比如功率型储能器件快速普及可以极大的帮助新能源的消纳,尤其是应对间隙性和波动性的问题,功率储能设备还可以在电网中承担更多的复杂服务功能,其快速响应的优点可以胜任电网中的许多场合,带来综合收益,是电网智能化、建设能源互联网的重要组成部分。


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