鋰離子電池快充技術(shù)進(jìn)入新的發(fā)展期

張文佳 尹蓮芳 謝樂瓊 張曉峰 王莉 何向明

1? 引言

目前石油等燃料資源正在逐步枯竭，為了應(yīng)對(duì)這些燃料資源短缺的問題，各行各業(yè)都開始尋找相應(yīng)的替代能源，汽車行業(yè)自然也不例外，新能源電動(dòng)汽車就在這一形勢(shì)下應(yīng)運(yùn)而生，但是面對(duì)剛出現(xiàn)的新能源電動(dòng)汽車，大家最關(guān)心的莫過于其電池問題。隨著動(dòng)力電池能量密度的不斷提升和成本的不斷降低，電動(dòng)汽車的續(xù)航里程也在不斷增加。目前推出的電動(dòng)汽車的續(xù)航里程普遍超過500km，部分中高端車型續(xù)航里程達(dá)到600km以上，消費(fèi)者對(duì)于續(xù)航里程的焦慮逐步在化解，但隨之而來的問題是對(duì)充電便捷性的考量，能否像傳統(tǒng)車加油一樣實(shí)現(xiàn)快速充電，成為消費(fèi)者關(guān)注的新焦點(diǎn)。電池快充技術(shù)就是目前解決充電便捷性的關(guān)鍵突破口，要在15min充滿60kWh或80kWh電，功率要達(dá)到240kW或者320kW，意味著一個(gè)充電樁的功率要接近一棟居民樓，電網(wǎng)瞬時(shí)難以承受如此大的沖擊。此外，快充高壓條件下車上電池包、電驅(qū)動(dòng)、PTC、空調(diào)等都需重新適配，對(duì)供應(yīng)鏈環(huán)節(jié)提出新的挑戰(zhàn)，電動(dòng)汽車的安全快速充電一直是行業(yè)亟待解決的難題。縮短充電時(shí)間能夠更好的提升電動(dòng)汽車的使用體驗(yàn)，對(duì)于推廣電動(dòng)汽車具有重要的意義。

2? 快充技術(shù)

通常來說，大部分的電動(dòng)車都是采用的普通充電技術(shù)，這種普通充電的方法給電車充電，需要8～10h，而快充即快速充電，只需要1h就可以把電池充滿。一般快充的定義為在短時(shí)間內(nèi)可以給電池充入大量電能，而對(duì)具體充電時(shí)間和電池荷電狀態(tài)沒有統(tǒng)一的規(guī)定。根據(jù)早期美國(guó)加州空氣資源委員會(huì)（CARB）的規(guī)定，電動(dòng)汽車快速充電時(shí)間為10min（6C）。對(duì)電動(dòng)汽車行業(yè)而言，快充指可以在數(shù)十分鐘，乃至幾分鐘內(nèi)將電池充滿，區(qū)別于慢充的8～10h充電。

簡(jiǎn)化概念來說實(shí)際上它采用的是大電流大功率直流電給電池充電，其原理是在快充狀態(tài)下，鋰電池中的鋰離子高速運(yùn)動(dòng)，瞬間嵌入到電池的兩極。實(shí)現(xiàn)方法具體如下：首先使用較寬的充電脈沖給電池進(jìn)行充電，使鋰電池的端電壓升高，當(dāng)達(dá)到充電系統(tǒng)設(shè)定的充電時(shí)限時(shí)，充電系統(tǒng)切斷供電電流使電池暫停充電，然后當(dāng)間歇達(dá)到另一個(gè)充電點(diǎn)時(shí)，再重新啟動(dòng)充電，將這一過程反復(fù)進(jìn)行，當(dāng)電池內(nèi)部的鋰離子全部聚集到電池的正負(fù)電極，汽車電池也就快速充滿了。因而這種快速充電技術(shù)對(duì)電池自身要求很高，電池自身必須具備自動(dòng)管理系統(tǒng)，同時(shí)要有非常可靠的熱穩(wěn)定性且耐高壓大電流。要想實(shí)現(xiàn)這種快速充電，還必須具備相配套的充電系統(tǒng)，現(xiàn)在許多城市提供快充的充電樁功率都高達(dá)20kW及以上，能夠?qū)?0kV的高壓交流電轉(zhuǎn)換成幾百安的直流電，并且通過專用電纜源源不斷的輸送進(jìn)汽車電池系統(tǒng)。

鋰電的快充問題從電芯層面而言，鋰離子電池的倍率性能一方面受到正極、電解液、負(fù)極電極材料搭配體系本征傳輸特性的制約，快充鋰離子電池材料體系選擇決定其快充能否實(shí)現(xiàn)，并最大限度保證快充安全性。另一方面從設(shè)計(jì)理念、極片工藝和電芯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也對(duì)倍率性能有較大的影響。比如將電極做得比較薄或者增加導(dǎo)電劑比例等措施都是常用的技術(shù)手段，有些廠家采用取消電芯中的熱敏電阻并且加厚集流體這樣的極端辦法。快充方法的設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)快充的必要途徑，最后由快充電池的電池管理系統(tǒng)（BMS）的設(shè)計(jì)直接決定快充電池的應(yīng)用。

3? 各大電池企業(yè)快充技術(shù)

在動(dòng)力電池環(huán)節(jié)，電池快充能力取決于電芯析鋰和熱管理。快充過程中，若負(fù)極沒有高速嵌鋰能力，則會(huì)出現(xiàn)析鋰甚至鋰枝晶，進(jìn)而導(dǎo)致電池容量不可逆衰減和縮短使用壽命。此外，電池升溫快會(huì)產(chǎn)生大量熱，容易短路起火，同時(shí)電解液也需要較高導(dǎo)電率，并且不與正負(fù)極反應(yīng)，能抗高溫、阻燃、防過充。

基于此，各電池企業(yè)在快充技術(shù)研發(fā)上各顯身手。目前快充電池研發(fā)核心在材料領(lǐng)域，且集中為正極、負(fù)極及電解液3大維度，尤其需要提升負(fù)極鋰離子電荷交換速度和鋰離子嵌入速率。同時(shí)在極片制備、結(jié)構(gòu)件過流仿真測(cè)試、快充策略制定等進(jìn)行多項(xiàng)優(yōu)化創(chuàng)新。

3.1? 寧德時(shí)代

寧德時(shí)代新快充技術(shù)能充分發(fā)揮自主研發(fā)快充型電芯的快充性能，電芯充電速度提升1倍，可實(shí)現(xiàn)15min充滿80%荷電狀態(tài)（SOC）。目前其超快充技術(shù)已經(jīng)涵蓋超電子網(wǎng)、快離子環(huán)、各向同性石墨、超導(dǎo)電解液、高孔隙隔膜、多梯度極片等。

3.1.1? 正極

正極采用超電子網(wǎng)充分納米化的材料表面，搭建了四通八達(dá)的電子網(wǎng)絡(luò)，使得正極材料對(duì)充電信號(hào)的響應(yīng)速度，和鋰離子脫出速率得到大幅度提升。

3.1.2? 負(fù)極

負(fù)極采用負(fù)極導(dǎo)入各向同性技術(shù)，使鋰離子可360°嵌入石墨通道，顯著提升充電速度，同時(shí)修飾多孔包覆層的陽(yáng)極材料表面，提供豐富的鋰離子交換所需要的活性位點(diǎn)，極大地提高鋰離子電荷交換速度和鋰離子的嵌入速率。

3.1.3? 電解液

電解液引入擁有超強(qiáng)運(yùn)輸能力的超導(dǎo)電解液，提升鋰離子在液相和界面的傳輸速度，通過調(diào)控極片多孔結(jié)構(gòu)的梯度分布，實(shí)現(xiàn)上層高孔隙率結(jié)構(gòu)，下層高壓實(shí)密度結(jié)構(gòu)等等。

3.2? 蜂巢能源科技有限公司

蜂巢能源科技有限公司（以下簡(jiǎn)稱“蜂巢能源”）近期首次對(duì)外發(fā)布全新快充技術(shù)和對(duì)應(yīng)的電芯，其中第2代4C快充電芯容量165Ah，能量密度大于260Wh/kg，20%～80%SOC快充時(shí)間10min，預(yù)計(jì)在2023年第2季度量產(chǎn)。

3.2.1? 正極

正極應(yīng)用了3大技術(shù)：①前驅(qū)體定向生長(zhǎng)精準(zhǔn)控制技術(shù)：通過控制前驅(qū)體合成參數(shù)，一次粒徑放射狀生長(zhǎng)，打造離子遷移“高速公路”，提高離子傳導(dǎo)，降低阻抗10%以上;②多梯度立體摻雜技術(shù)：體相摻雜及表面摻雜多元素協(xié)同作用，穩(wěn)定高鎳材料晶格結(jié)構(gòu)，同時(shí)降低界面氧化性，循環(huán)提升20%，產(chǎn)氣降低30%以上;③柔性包覆技術(shù)：基于大數(shù)據(jù)分析及仿真計(jì)算，篩選適配高鎳材料體積變化大的柔性包覆材料，抑制循環(huán)顆粒粉化，產(chǎn)氣降低20%以上。

3.2.2? 負(fù)極

負(fù)極同樣應(yīng)用了多項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)：①原料種類及選擇技術(shù)：選取各項(xiàng)同性，不同結(jié)構(gòu)、不同類型的原材料進(jìn)行組合，使其極片OI值由12降低為7，動(dòng)力學(xué)性能得到提升;②原料破碎整形技術(shù)：采用小骨料粒徑組成二次顆粒，并復(fù)配一次顆粒，實(shí)現(xiàn)合理的粒徑搭配，降低其副反應(yīng)，循環(huán)性能和存儲(chǔ)性能提升5%～10%;③表面改性技術(shù)：采用液相包覆技術(shù)石墨表面包覆無定形碳，降低阻抗，提升鋰離子的通道，使其阻抗降低20%;④造粒技術(shù)：精確控制粒徑間的形貌、取向等造粒技術(shù)，滿電膨脹降低膨脹3%～5%。

3.2.3? 電解液

電解液采用含硫添加劑/鋰鹽添加劑等低阻抗添加劑體系，降低正負(fù)極界面成膜阻抗。較高的鋰鹽濃度，保證電解液較高的電導(dǎo)率。

3.2.4? 隔膜

采用的高孔隙陶瓷膜，提升了隔膜導(dǎo)離子能力同時(shí)可兼顧耐熱性，達(dá)到快充及安全的平衡。

3.2.5? 其他

在極片制備、結(jié)構(gòu)件過流仿真測(cè)試、快充策略制定方面等也進(jìn)行了多項(xiàng)優(yōu)化創(chuàng)新。

3.3? 鵬輝能源

鵬輝能源推出6C快充電池產(chǎn)品，使用先進(jìn)可靠的電池解決方案為一眾整車公司供應(yīng)優(yōu)質(zhì)服務(wù)，并促進(jìn)超級(jí)充電樁等基礎(chǔ)配套設(shè)施布局，推動(dòng)新能源汽車行業(yè)發(fā)展。

經(jīng)過數(shù)年研發(fā)并持續(xù)攻克快充溫升高、恒流比低、能量密度低、安全性差等快充重大技術(shù)難題，鵬輝能源隆重推出具備6C持續(xù)充電性能的電芯產(chǎn)品。該款電芯具備6C持續(xù)充電能力，充電8min可至80%電量，充電10min可至95%，同時(shí)具有高能量密度（>200Wh/kg），電芯循環(huán)壽命可達(dá)4 000周以上，除此之外，產(chǎn)品在過充、熱沖擊、短路、過放、擠壓等一系列專業(yè)測(cè)試均表現(xiàn)出色，安全性滿足國(guó)標(biāo)要求。

3.4? 領(lǐng)湃新能源

湖南領(lǐng)湃新能源科技有限公司（以下簡(jiǎn)稱“領(lǐng)湃新能源”）通過特殊設(shè)計(jì)的離子快穿通道設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力電池4C充電，15min充電5%～85%SOC。未來規(guī)劃動(dòng)力電池6C充電、充電時(shí)間小于10min。

領(lǐng)湃新能源的快充解決方案，涵蓋堡壘型正極材料、自創(chuàng)六元助推添加劑、負(fù)極圍觀打磨技術(shù)及獨(dú)家智能充電解決方案：①正極：堅(jiān)固的堡壘型結(jié)構(gòu)有效抑制結(jié)構(gòu)坍塌，同時(shí)為鋰離子提供高效進(jìn)出通道;②負(fù)極：改善碳基網(wǎng)絡(luò)原有結(jié)構(gòu)，利于離子著陸的同時(shí)脫鋰嵌鋰更為有序且高效;③電解液：6種添加劑協(xié)同，最大化減少阻抗，改善交界處的SEI膜，實(shí)現(xiàn)電池快捷充放電;④智能充電方案：根據(jù)電池實(shí)時(shí)電量與溫度情況，智能化調(diào)控充電倍率，保障安全快速充電。

4? 車企快充技術(shù)

除動(dòng)力電池企業(yè)外，部分車企快充電池布局更進(jìn)一步，將觸角直接伸向了快充電池的研發(fā)。

4.1? 廣汽

廣汽的快充方案具體為：①通過使用新型導(dǎo)電劑，搭建高效的三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，提高電芯導(dǎo)電能力，推出石墨烯超級(jí)技術(shù)，規(guī)劃推出6C—500km、3C—500km兩個(gè)版本的快充電池，2021年9月將首次搭載在廣汽埃安AION V上;②采用涂覆陶瓷隔膜和新型高功率電解液，提高電池的倍率性能和熱穩(wěn)定性，使得電芯可進(jìn)行高倍率持續(xù)充電;③采用高電壓平臺(tái)，保證快速充電和高續(xù)航里程;④降低電池內(nèi)阻，考慮到大電流快充引起的電芯發(fā)熱量較大的問題，廣汽將電芯內(nèi)阻降低50%，6C電芯容量30Ah;⑤采用新型雙層液冷設(shè)計(jì)，常溫6C快充循環(huán)可達(dá)100萬kw。

4.2? 保時(shí)捷

保時(shí)捷正在研發(fā)硅負(fù)極取代傳統(tǒng)石墨負(fù)極的高性能電池，以獲得更高能量密度和快充性能。

5? 支持快充的國(guó)內(nèi)外車型

5.1? 國(guó)際品牌

5.1.1? 起亞

起亞EV6全系車型支持400V和800V充電，電量從30%到80%僅14min;現(xiàn)代IONIQ 5最新800V高電壓平臺(tái)支持高達(dá)350kW的超大功率充電。

5.1.2? 寶馬

寶馬BMW iX xDrive50、奧迪A6e—tronConcept、奔馳EQS、福特Mustang Mach—E、大眾ID.4X、沃爾沃旗下極星Polestar 2等外資中高端新車均支持快充。

5.2? 國(guó)內(nèi)品牌

5.2.1? 北汽

北汽旗下極狐全新車型阿爾法S宣布搭載華為快充技術(shù)，充電10min續(xù)航197km，充電15min電量可從30%充至80%

5.2.2? 利旗

利旗下全新品牌車型極氪001支持最高360kW超級(jí)快充;東風(fēng)旗下嵐圖汽車宣布研發(fā)基于超高壓平臺(tái)的超級(jí)快充技術(shù)等。

5.2.3? 上汽

上汽集團(tuán)旗下的新品牌IM智己直接邁入下一步，開啟預(yù)售的IM智己 L7支持無線快充技術(shù)，預(yù)計(jì)2022年上半年交付。

此外，小鵬P7、蔚來ET7、高合HiPhi X等新勢(shì)力全新車型也都標(biāo)配快充。

6? 供應(yīng)鏈配套

車企紛紛認(rèn)可快充并將其納入車型標(biāo)配的背后邏輯在于，電動(dòng)汽車快充在電池端、供應(yīng)鏈環(huán)節(jié)均有了不錯(cuò)進(jìn)展，能夠提供技術(shù)支撐及產(chǎn)品落地的可能。

在供應(yīng)鏈配套環(huán)節(jié)，華為近期推出業(yè)內(nèi)首個(gè)AI閃充動(dòng)力域全棧高壓解決方案，基于800V左右平臺(tái)架構(gòu)，包含了高壓車載充電系統(tǒng)、高壓異步電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、高壓同步電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、高壓電池管理系統(tǒng)、直流快充模塊、三電云及高壓熱管理系統(tǒng)。搭載該技術(shù)的極狐阿爾法S（HI版）可以實(shí)現(xiàn)15min充電電量從30%充至80%。預(yù)計(jì)到2025年，華為將推出1 000V電壓，600kW功率的高壓快充方案，5min即可實(shí)現(xiàn)SOC30%～80%的充電，滿足用戶“加油一般的充電體驗(yàn)”。

現(xiàn)代-起亞將攜手進(jìn)軍800V總成電動(dòng)汽車：基于用來挑戰(zhàn)其他電動(dòng)汽車制造商的E—GMP平臺(tái)架構(gòu)，起亞將推出一款純電動(dòng)的跨界車型，使用800V電氣系統(tǒng)。根據(jù)起亞已經(jīng)透露的消息，新車的另一亮點(diǎn)在于直流快充最快只需20min，這足以彌補(bǔ)其續(xù)航稍顯不足（約480km）的小尷尬。

公布E—GMP平臺(tái)強(qiáng)調(diào)的幾大特點(diǎn)，就包含400V/800V雙規(guī)快速充電、出色的續(xù)航里程。

E—GMP平臺(tái)400V/800V雙規(guī)快充如何達(dá)成：E—GMP平臺(tái)最受關(guān)注的重點(diǎn)，就是400V/800V雙規(guī)快充，現(xiàn)代起亞集團(tuán)稱其400V與800V兩種快充規(guī)格對(duì)應(yīng)屬專利技術(shù)，無須另外裝轉(zhuǎn)接頭，快充功率可以從25kW、150kW，一路支援到最高達(dá)到350kW，能在5min增加100km續(xù)航、18min充至80%。

7? 政策配套

與此同時(shí)，政策為超快充的普及掃清了最后的障礙。充電標(biāo)準(zhǔn)、電池標(biāo)準(zhǔn)等等在不同國(guó)家諸多車企的呼吁之下走向大一統(tǒng)，充分地最大化電動(dòng)汽車的推廣范圍和使用便利性。

目前被國(guó)際上廣泛接受的電動(dòng)汽車直流充電技術(shù)均已樹立450kW以上的充電功率目標(biāo)，如此高的功率已經(jīng)打破了原有的電壓和電流的限制，為充電樁企業(yè)和車企指明了前行的方向。

8? 結(jié)語

總體來看，電動(dòng)汽車快充需要產(chǎn)業(yè)鏈多環(huán)節(jié)的共同配合，如車端需要車載高壓系統(tǒng)提供高功率輸出，以及電池包、電驅(qū)動(dòng)、PTC、空調(diào)等產(chǎn)業(yè)鏈配套，充電樁環(huán)節(jié)及電網(wǎng)則提供持續(xù)的高功率輸出等等。

需要強(qiáng)調(diào)的是，電動(dòng)汽車快充的最終落地，單一企業(yè)孤軍奮戰(zhàn)不可能完成，不僅需要車、電池、樁三方聯(lián)動(dòng)，也迫切需要整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同共進(jìn)，共同推進(jìn)電動(dòng)汽車高壓快充發(fā)展。

10.19599/j.issn.1008-892x.2021.04.004