电动汽车的一个关键因素是充电速度，驾驶者在考虑电动汽车时通常会考虑这一点。遗憾的是，当谈论这个概念时，电池专家可能会使用令人困惑的术语，因此在这里我们将解析关键的充电概念以及它们如何在现实世界中体现。

什么是C率？

C率是电池专家用来衡量电池充电或放电速度的单位。例如，以1C的C率充电意味着电池在一小时内从0%充电到100%。高于1C的C率表示更快的充电；例如，3C的C率是三倍快，因此在20分钟内充满电。同样，较低的C率表示较慢的充电：C/5（或0.2C）将比1C慢五倍，需要五个小时充电。

C率也是一个相对的度量标准。电池行为的许多重要方面（如抑制树枝状结晶）取决于绝对电流密度，即通过电池的电流量除以其层的面积。对于给定的C率，电流密度将是正极负载的函数，这与其厚度密切相关。因此，在比较C率时，确保正极负载处于商业相关水平是很重要的：对于电动汽车，这通常在2.5-5毫安/平方厘米的范围内。

EV****驾驶者想要什么？

为了成为可行的替代品，电动汽车应该至少能够与内燃机（ICE）车辆相媲美：在加速时提供高水平的动力，在所有驾驶条件下运行，并且需要最少的时间进行充电。

在理想情况下，电池应该始终以极高的C率性能运行。然而，C率越高，电池提供可靠性能的难度就越大。较高的C率增加了电池的退化速率，缩短了续航里程并缩短了车辆的寿命。更快的充电也可能导致危险的树枝状结晶形成。这会损害电池的寿命，可能导致电池单体故障，并在一些极端情况下甚至引发火灾。因此，电动汽车电池充电器在几分钟内就会减小充电速率，以避免对电池造成损害。

这意味着与将几分钟加注内燃机汽车油箱相比，今天最先进的电动汽车电池相对较慢充电。当然，电动汽车的优势在于它们可以在家里和夜间充电，因此在进行超过单次充电（通常约为300英里）所允许的长途旅行时，通常更希望进行快速充电。好的是，通常以较慢C率充电的大多数电池，其保持原始续航里程的时间比那些以快速充电为特征的相似电池更长。

然而，我们认为大众市场对电动汽车的采用将需要与内燃机汽车更为相似的体验。为实现这一目标，必须改进电池技术，使汽车能够以更快的速率充电，以便驾驶者可以在几分钟内“充满”电池，而不是几小时。这是为什么某些下一代电池技术如此重要的一个关键原因。

并非所有的电池技术都相同

如果当前的电池技术在充电过快时存在树枝状结晶的风险，那么下一代电池技术能否解决这个问题呢？遗憾的是，研究发现，并非每种新型电池技术都能够改善快速充电性能。例如，在我们关于硫化物的博客文章中，我们解释了为什么我们认为基于硫化物电解质的许多新型固态锂金属电池不太可能在充电性能上比传统锂离子电池有所提升。同样，由于树枝状结晶的形成和电阻的增长，我们认为大多数基于液体电解质的锂金属电池也不太可能提供快速充电性能。尽管它们似乎能够在相对较慢的速率下成功充电，比如C/5，但我们认为这些硫化物和基于液体的技术的许多根本限制可能会使超高速充电速度难以实现。

相比之下，我们的陶瓷固态电解质隔膜使得能够在锂金属负极处于完全充电状态时使用。这个用锂金属负极取代石墨负极，是当前电动汽车电池中快速充电的一个关键瓶颈。使用我们的固态锂金属负极的电池的测试结果显示，在重复使用1C的充电和放电速率的情况下，在800个充电周期后，其能量保留率超过80％，相当于一辆续航里程为300英里的汽车行驶超过240,000英里。简而言之，将我们的锂金属电池以相对较高的1C速率充电在电池寿命内不会引起续航里程的显著下降。

我们展示的数据表明，我们的基础技术在扩展到对电动汽车有用的尺寸时，可以提供快速充电速度，使电动汽车能够与内燃机车辆竞争。我们的最终目标是为电动汽车制造一种电池，可以在15分钟内从低电量状态充电到80％，使驾驶员能够在不必忍受当前电动汽车充电速度不便的情况下转向零排放汽车。我们认识到，要在现实世界中产生影响，我们需要电池不在功率、充电时间或电池寿命上妥协，这正是为什么我们设计和测试我们的电池时使用更符合实际条件的C率的原因。

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树枝状结晶

许多下一代锂金属电池技术将传统的石墨负极替换为锂金属负极，这使电池能够在相同体积内存储更多的能量。但在锂金属电池中形成树枝状结晶是这类电池尚未大规模商业化的一个关键原因。

树枝状结晶是纯锂在隔膜内形成的根状结构，它们始于负极并在电池充电时向正极生长。它们在生长过程中从内部撕裂电池。当树枝状结晶延伸到正极时，它们会导致电池短路并失效。树枝状结晶也被发现在传统锂离子电池单元中形成，这导致了火灾甚至爆炸。

观察到，对于锂离子和锂金属电池，提高充电速率会指数级增加树枝状结晶形成的可能性。然而，在新的电池技术中降低充电速率意味着限制其成为内燃机车辆或传统电池电动汽车的可行替代方案的能力。

在审查C率性能数据时需要注意的事项

在电池开发过程中，科学家和实验室专家可以控制电池测试的条件，以获取有关基本行为的见解。然而，这样的实验室测试并非标准化或总是直接，这使得难以解释研究结果或将其与其他技术进行比较。要注意的一些事项包括：

慢速充电和快速放电是科学家中一个众所周知的方法，用于调试充电-放电方案，以评估某些容易形成树枝状结晶的电池。以低C率（例如C/4，C/5）慢速充电对电池内部的压力较小，减少树枝状结晶形成的可能性，而当它们确实形成时，以高C率（例如1C，2C）快速放电可以帮助缩小它们的体积（尽管它们永远无法完全停止）。例如，使用C/5充电率和1C放电率达到800个循环的电池必须充电五个小时才能行驶一小时（放电）。然而，这样的实验室测试方案与驾驶员实际想要做的相反：以较高速率（例如不到一小时）充电，并以较低速率（例如在几小时内驾驶300英里）放电。

**在低C率下报告循环寿命可能掩盖电池在实际条件下无法防止树枝状结晶的能力。**许多人认为固态电解质是启用锂金属负极的唯一方法。QuantumScape展示了一种无机陶瓷隔膜设计，可以取代传统锂离子电池的液体电解质/聚合物隔膜组合。该隔膜使得锂金属电池在实际运行条件下可以防止树枝状结晶的形成。然而，并非所有固态电解质都能在这些条件下防止锂树枝的生长。正如我们所解释的，我们在其他类型的固态电解质上进行了大量研究，如硫化物，并得出结论它们无法在高C率和厚正极下防止树枝状结晶的形成。

将锂金属负极替换为另一种承载材料，如硅，是防止树枝状结晶形成的另一种解决方案。但硅可能会带来另一组同样限制电池实际应用的挑战。例如，在充电和放电过程中硅颗粒发生的显著体积变化可能导致电池内部组件破裂，降低循环寿命。为了解决这个问题，一些电池制造商施加外部压力来保持硅的完整性，但施加此压力的机制会降低电池组的能量密度。

资料来源：

https://www.quantumscape.com/resources/blog/distinguishing-charge-rates-for-next-generation-batteries/