鉅大LARGE | 點擊量：1462次 | 2021年11月08日
國內(nèi)快充技術(shù)現(xiàn)狀及對電池的影響？
近年來，在能源轉(zhuǎn)型、汽車產(chǎn)業(yè)彎道超車、減少化石能源依賴、治理環(huán)保的綜合考慮下，我國開始大力發(fā)展動力鋰離子電池和新能源汽車相關(guān)產(chǎn)業(yè)。國家在此方面投入了大量的人力物力財力，從科研支撐到汽車配套政策再到補(bǔ)貼優(yōu)惠都做足了文章。在這樣的大背景下，我國的動力鋰離子電池相關(guān)行業(yè)迅速發(fā)展，電動汽車也開始讓大家熟悉起來。隨著對電動汽車的了解的增多，人們開始有關(guān)電動汽車有了越來越高的期待：期待它可以像汽油車相同便宜，相同加一次油/充一次電跑600公里，相同一次加油/充電只要幾分鐘等等……在這樣的期待下，科研界和工業(yè)界一直在努力向著這些方向努力。然而近幾年來，細(xì)心的朋友可能發(fā)現(xiàn)，類似的“幾分鐘充滿電”、“顛覆性”、“中東完了”的“大新聞”鋪天蓋地，但是真正算的上讓人耳目一新又真正改變或即將影響我們生活的實質(zhì)性進(jìn)展卻又沒那么多。在本文中，筆者將重點以快充(比如X分鐘充滿電)這一視角切入，分析快充相關(guān)技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀與問題，以及相關(guān)新聞炒作的由來，供大家更好地理解快充，也可以更好地理解動力鋰離子電池行業(yè)與新能源汽車行業(yè)。
什么是快充？大家為何如此關(guān)注快充？
假如我們通俗的下含義，當(dāng)然就是給電動汽車（的電池）用比較快的速率來充電。當(dāng)然在這里，多快算快充，多快不算之間恐怕就沒有那么明確的區(qū)分點了。但是有關(guān)一般的電池/電動汽車來講，目前公認(rèn)的快充有Tesla的supercharge，大約半小時可以充80%的電，以及其它幾種汽車，大概是2~3小時級。那么在這里，可以先粗略含義一下，有關(guān)電動汽車來說，快充就是小時級左右時間能充滿電的制度。
而相比較，電動汽車的慢充常常長達(dá)6小時以上，因此為了想要慢充，停車過夜慢慢充電常常是必須的選擇。而實際上，慢充電池也是具有電化學(xué)行業(yè)相關(guān)相關(guān)經(jīng)驗的人常常建議大家做的事情：簡單說就是快充有關(guān)電池的質(zhì)量要求很高，而且大電流下電池的反應(yīng)條件過于苛刻劇烈，偏離平衡態(tài)較遠(yuǎn)，有關(guān)電池的壽命有較大的損失，安全系數(shù)會明顯下降，因此沒有必要的時候盡量少做。而慢充就可以很好的防止這些問題。
說到這里，筆者想加一句，其實有關(guān)手機(jī)電池，快充造成的影響基本也相同，只不過差別在于，手機(jī)這樣的消費電子品淘汰快，一個手機(jī)里的電池也只值十到幾十塊錢，壞了大不了換，對你沒什么大損失，所以手機(jī)電池用起來怎么開心怎么來就好了；而有關(guān)汽車，一輛汽車上的電池動輒價值萬元，用壞了一會造成危險，二會貶值，三會影響續(xù)航，所以有關(guān)電動汽車的電池，真的應(yīng)該認(rèn)真使用，因為和手機(jī)完全不在一個量級上。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
然而社會上的大多數(shù)人畢竟不是電化學(xué)專業(yè)出身，很多人有關(guān)汽車、電化學(xué)、電網(wǎng)相關(guān)的基本信息了解甚少。在對電動汽車的期待、電池的一些進(jìn)展容易被外行曲解、資本方希望熱炒動力鋰離子電池新能源題材等諸多因素交織下，快速充電方面形成了一個又一個的大新聞。接下來，筆者將對這幾個因素進(jìn)行分析，指明這些新聞出現(xiàn)的原因。
為何快充新聞多？因為電池性能里單純提升充電速度相比較較容易。
首先用自問自答的形式展開此部分。電池其實有幾大核心要素，安全性，成本，能量密度，功率密度等，其中能量和功率密度常常是魚與熊掌不可兼得的。能量密度高的電池，活性物質(zhì)涂的厚，導(dǎo)電劑用的少，相應(yīng)的在高功率的時候工作能力就差一些；而功率密度高的電池恰好相反。此時大家就可能問了，那為何能量密度提高的新聞相比之下少很多呢？
有關(guān)電池來說，往往魚與熊掌不可兼得
很簡單，因為能量密度在現(xiàn)有的電化學(xué)體系下，都是有理論上限值的，我們能做的就是不斷逼近極限，而不可能超過，這是科學(xué)和自然規(guī)律。比如現(xiàn)在的NCA18650電池大概是220WH/kg基本就是接近極限的數(shù)據(jù)。想再提高？有些難，可能換材料體系，比如負(fù)極用硅是一個更好的選擇。然而功率密度就不相同了，假如你把能量密度犧牲一些，功率密度自然可以有所提高，而假如無限制的把材料納米化，導(dǎo)電劑多加，做的材料夠小夠少，功率密度自然很容易再創(chuàng)新高，這就是我們看到的諸多納米材料性能突破的新聞的由來，但是這很多是靠犧牲其它性能得來的，新聞里往往報喜不報憂。當(dāng)然了，假如把這些材料落實到量產(chǎn)的電池上，要是真的只是考慮功率密度一個特性而不過多的強(qiáng)調(diào)其它性能，那這類電池做出來其實并沒有大家想像的困難：以最近的一款新上市的某快充型充電寶為例，此電池自始至終都沒說自己一節(jié)電池容量是多少，能量密度是多少Wh/kg，只是一直在強(qiáng)調(diào)自己可以快充充滿——的確，假如自己把能量密度都犧牲了用來達(dá)到功率密度的提升，當(dāng)然可以很快充滿了，這算不上什么技術(shù)上的大進(jìn)步。
但是，假如能把功率和能量密度做一個盡量的平衡，那得到的電池就很厲害了，日韓很多廠家的高功率動力鋰離子電池都具有這樣的特性，產(chǎn)品競爭力很強(qiáng)，很多都可以在分鐘級充放完全，能量密度、成本和安全控制也比較好，這才是我們真正要小心的對手。
在這里要補(bǔ)充一句，電池都可以快充，只是一般情況下為了安全等綜合因素，大多數(shù)的手機(jī)，汽車有關(guān)充電電流都做了嚴(yán)格的限定，用電池管理系統(tǒng)BMS做了保護(hù)。所以大家不要看見了快充的新聞就興奮，他們只是把你見的電池?fù)赋鰜韱为氂每焖俪潆姵淞艘幌陆o你看而已。當(dāng)然了，可能他們電池做的不錯，但是還有更多的因素要關(guān)注，比如能量，比如成本。而且真正落實在工業(yè)中的快充技術(shù)，遠(yuǎn)不是做個充電寶，說自己幾分鐘充滿就大功告成了，要克服的困難還多著呢。
為了快充的大新聞，科研、工業(yè)界以及新聞界的路數(shù)？
剛才說了，能量密度是有理論上限的，超了這個上限基本相當(dāng)于你當(dāng)造物主重新創(chuàng)了一個世界，這事一聽就不靠譜。既然想把能量密度踏實做上去是比較難的，那么大家更多地選擇了去突破功率密度。一來功率密度算是沒有理論上限的（其實也不完全見得），二是功率密度做好了很容易就演變成X分鐘X秒鐘充滿電的大新聞，再加上鋰電表兄弟超級電容的摻和（這個本來就是只為了快充放而生的，能量密度特別低，用它全裝車走不了多遠(yuǎn)就要一充，希望大家明白），很容易炒出一片欣欣向榮的革命形式一片大好的一顆賽艇的景象。
科研新聞中常見的快充新聞路數(shù)有：1）做成納米材料-高比表面積，擴(kuò)散距離短，反應(yīng)動力學(xué)快。2）做一個薄電極，多用導(dǎo)電劑，這樣可以最大化功率輸出。3）實驗室做出一個0.1g的樣品，計算一下可以7秒充滿，OK，算一下能量密度，假如折合成電動汽車X度電的電池可以支持跑35公里，OK，寫一個新聞。接下來進(jìn)行一下相應(yīng)的點評。
納米材料-高比表面積路線，這個路數(shù)有關(guān)科研自然沒問題，可惜的是有關(guān)現(xiàn)在的鋰電工業(yè)的實際要求基本無異與背道而馳。現(xiàn)在的鋰電工業(yè)要求材料最好不要太細(xì)（磷酸鐵鋰稍有例外但是大原則也相同），微米級材料比納米材料更受歡迎，因為其比表面積小，副反應(yīng)少，漿料易于準(zhǔn)備，電池的安全性壽命都要好一些，所以其實納米材料在電池工業(yè)界中一直是一個爭議較大的話題。而做薄電極，多用電導(dǎo)劑，通過犧牲能量密度的方法，自然把功率密度提上來了，基本思路就是想一白遮百丑——其實這種新聞，你只要追問他，你沒報的那幾個性能倒底如何，基本該技術(shù)含金量如何也就出來了。而至于那種實驗室做個小樣，乘以多少倍直接推出電動汽車可以跑35公里的人，筆者只能無奈的表示：你沒在廠值過班，沒上過中試線，沒做過工業(yè)，沒有基本的工業(yè)素養(yǎng)，不懂得我國制造是怎么流血流汗地做成世界廠的，只能說：TOOSIMPLE，SOMETIMESNAIVE.
說到這里，筆者想起自己和某廠家進(jìn)行面對面交流，對方在加入某添加劑后，電池的功率性能上升，但是能量密度，不論是體積的還是質(zhì)量的都下降了近10%，結(jié)果我就追問：是不是添加劑讓功率性能上升的同時導(dǎo)致了能量密度的下降？對方忙忙辯解說這其實是兩個電池，不是一回事。后來也就沒有硬要讓他們回答，因為已經(jīng)比較明顯了。
此外，使用納米材料做高功率電池還有一個大問題，就是納米材料比表面積大，大多相應(yīng)的體積密度也低，會帶來體積能量密度降低——有時甚至能直接導(dǎo)致體積功率密度也變得很不理想。要了解我們用的很多電池不只要求輕，還要要求小。此時光說質(zhì)量相關(guān)的參數(shù)，不說體積方面的內(nèi)容，無異于——耍-流-氓。
筆者在這里批評納米材料，不是說這種材料的科研沒有意義。實際上，人類科研中的大部分成果可能99%都會進(jìn)入圖書館，只有很少的1%會形成真正的轉(zhuǎn)化，推動社會的進(jìn)步。但是你不能說這99%就沒有意義，它有關(guān)人們豐富和深化對世界的理解，訓(xùn)練人才是很有意義的，但是——假如只是科研上的進(jìn)步，尤其是明知其有關(guān)工業(yè)的影響促進(jìn)用途有限，還非要迎合一些別有用心的資本、利益集團(tuán)的企圖來無限夸大自己研究的意義的話，就是他們的不對了。
此處還要再插一嘴，在快充的大新聞方面，眾多缺乏基本物理常識的記者寫出的各種奇葩新聞稿也是一大關(guān)鍵貢獻(xiàn)力量。然而表面上是如此，實際上是不是有無數(shù)炒作的資本在此后動作，通過鼓動授意記者寫稿來達(dá)到宣傳某些快充技術(shù)，以達(dá)到炒高股價，維系利益的目的，就是一個值得思考的有趣問題了。
快充，只是材料和電池人的工作嗎？
快充的電池，首先要做材料，然后要做成電池，最后要用還要落實到電動汽車的電池組，以及電網(wǎng)中的儲能電站中。那么想要成功應(yīng)用這些技術(shù)，就要一個個環(huán)節(jié)來看。
剛才的一部分說了，做電池，假如只是實驗室做一個小樣，薄薄一層，自然很容易。但是假如想做成一個幾AH的軟包或者18650電池，要考慮的因素就已經(jīng)是多方面的了：材料的成本，比表面積，能量密度，功率密度等等，做電池要幾十道工序，每一道都要嚴(yán)格控制條件工藝，才能做出質(zhì)量上乘的產(chǎn)品，這也是日韓電池領(lǐng)先于我們的重要原因——管理控制更為嚴(yán)格規(guī)范。
那做出一節(jié)電池后呢？是不是這節(jié)單體電池就可以任性充電了呢？
以這里依然要引一篇老爭議文：MITCEDER教授的文章Batterymaterialsforultrafastcharginganddischarging，聲稱其納米材料可以幾十C，對應(yīng)于1~2分鐘充放完全，但是鋰電泰斗Goodenough、Mauger、Julien教授馬上就質(zhì)疑了該工作，發(fā)表了文章UnsupportedclaimsofultrafastchargingofLiFePO4Li-ionbatteries，認(rèn)為這些成果最多也就是在概念上可行而已，因為：舉例60C（1分鐘充電）與1C（60分鐘充電）相比，發(fā)熱量按焦耳定律計算，是3600倍！3600倍！想想你的電池會燙成什么樣！而假如更快的充電，這個差別還要更大。假如把這個結(jié)果推給一量15kWh電量的電動汽車，充電的發(fā)熱量足夠給好幾層樓供暖。
其實我在這里想說的就是一點：即使只是一節(jié)電池單體的快速充電，其要克服的困難（物理定律上的極限）也是很大的。而很多快充的文章，在此方面根本就是在挑戰(zhàn)大家所學(xué)的初中物理知識的基礎(chǔ)，是違背常識的。比如7秒充電跑35公里，基本就是合1000KW以上的充電功率，大概要腿相同粗的電線……
在此處，筆者的朋友都喜歡調(diào)侃，說“總是一言不合就算充電功率”。
問題是我不算充電功率，還能先算什么？這只是第一步。
其實以上還沒完，即使是單節(jié)電池大電流充電真的大丈夫，熱量散的出去?？墒请妱悠囉秒姴皇且还?jié)節(jié)單用的，是好多節(jié)電池串并得來的——電池要串聯(lián)，要求必須要有極其良好的一致性，就是每節(jié)的容量都要相同，否則充電的時候，一個沒充滿，一個過充了，危險就會非常大。而假如此時你用的是快充而不是慢充的話……危險系數(shù)……我已經(jīng)不了解要再乘幾了，估計再加個平方還比較可行。今年年初挪威燒了一輛正在快充的TESLA，就是證明。快充比慢充，就是危險，這是事實。
扯句題外話，有人會在我的文章下，說一堆情懷的話，意思是XX發(fā)明出來的時候也不看好，后來不是也流行了嗎，不能用保守的觀點看問題BLABLABLA，總之就是情懷黨：你說技術(shù)，他講情懷。在這里我想到的是美國的總統(tǒng)候選人Trump，他就說拒絕把政治正確凌駕于常識之上（Theyputpoliticalcorrectnessabovecommonsense.Irefusetobepoliticallycorrect."），在此，我也想類似的說一句話：在快充方面，我拒絕把情懷凌駕于常識之上。
所以想要任性快充？你得問問電網(wǎng)喜歡不喜歡。
其實電力系統(tǒng)肯定是支持電動汽車行業(yè)的發(fā)展的，這可以豐富電網(wǎng)的業(yè)態(tài)，供應(yīng)新的上升點，出現(xiàn)新的服務(wù)，而且電動汽車的負(fù)荷假如優(yōu)化調(diào)配，還可以配合電網(wǎng)的工作，降低電網(wǎng)的運行壓力。
但是問題來了，怎么叫“優(yōu)化調(diào)配”呢？
電池儲能的削峰填谷用途，可以降低電網(wǎng)負(fù)擔(dān)，電動汽車的負(fù)荷如何優(yōu)化運行，也可以實現(xiàn)如圖的效果效果
電網(wǎng)希望電動汽車充電，最好都在夜里可以消納夜間的富余電能，減少電網(wǎng)的負(fù)擔(dān)，可以起到變相的儲能用途。而且電網(wǎng)希望電動汽車負(fù)荷接入的不要過快——單點極大負(fù)荷的接入肯定是要對電網(wǎng)造成很大負(fù)擔(dān)的。要了解即使是一個慢充樁功率也有幾KW，這已經(jīng)不是一個小數(shù)目了，涉及到了很多安全用電、電網(wǎng)穩(wěn)定、擴(kuò)容等方面的問題，此時再考慮到物業(yè)、用電穩(wěn)定等方面的客觀原因限制，慢充滿推進(jìn)的不太順利其實不難理解。而此時再換成一個幾十KW功率的快充樁——電網(wǎng)運營一定頭疼：這么大的功率忽然引入，這得給電網(wǎng)新增多大的負(fù)擔(dān)，帶來多少挑戰(zhàn)？假如是寫字樓里呢？影響了商業(yè)用電穩(wěn)定，被要求怎么辦？工業(yè)區(qū)也相同，萬一大功率電器引入影響了供電穩(wěn)定，造成了工業(yè)生產(chǎn)損失怎么辦？所以快充樁推進(jìn)的更不順利就更好理解了。
此外，電網(wǎng)現(xiàn)在很多都開始落實峰谷電價，也是為了鼓勵大家在用電低峰期用電。此時，慢充是比較符合電網(wǎng)胃口的——可以晚上充，而且對消費者也比較實惠。而快充，大多都是在白天，此時電網(wǎng)負(fù)擔(dān)本來就重，峰值電價有關(guān)消費者也不太劃算。前幾天有一個新聞“車主調(diào)查：北京城區(qū)近八成公共快充樁不能用！”：正兒八經(jīng)到充電站就能充的快充樁不足3成。其實很容易解釋：慢充樁運行還好，快充樁是真的有很多問題和困難。而且考慮到下一部分的觀點，個人還是更支持慢充樁。
某地的峰谷電價規(guī)定明細(xì)
個人觀點：有關(guān)電動汽車，能量密度>功率密度，即續(xù)航里程比快充放更為重要。
我想問大家：現(xiàn)在電動汽車的最重要矛盾是什么？是不是“跑不遠(yuǎn)”？
假如能續(xù)航有所提升，跑的遠(yuǎn)一點，充電慢一些是不是也可以接受呢？比如一次充電可以跑700公里，但是充電要半天左右，而慢充樁鋪設(shè)又比較容易，你愿不愿意開車到500公里外的地方辦事，去玩，然后充一晚上電，第二天繼續(xù)辦事？是不是并不困難。
然而快充呢？對電池一致、安全性，電網(wǎng)負(fù)擔(dān)要求考驗都極高，甚至連用電成本也高……頻繁快充，電網(wǎng)受不了，電池壽命會下降，而且安全上面的隱患極大。
總之，個人認(rèn)為在這里，沒有那么多復(fù)雜的因素要考慮：有關(guān)純電動汽車來說，能量密度比功率密度更重要。注意，我不是說功率密度不重要不重要不重要，我只是在強(qiáng)調(diào)能量密度更重要更重要更重要，重要的事情說三遍。
當(dāng)然，在一些其它場合，比如頻繁停車的公交，比如混動汽車上，功率型電池更為合適，快充也更適合，但是這些就是另一些場景了。在本文中，將不會對這些場景展開分析，觀點仍然重申一遍：有關(guān)純電動汽車來說，能量密度比功率密度更重要。
結(jié)語：
光說自己幾分鐘充滿，其它性能都不說，尤其是不說每WH成本，不說能量的體積/質(zhì)量密度的快充技術(shù)，都是在耍流氓?？斐溆嘘P(guān)電池、汽車、電網(wǎng)的要求非常高，個人認(rèn)為相比之下，慢充更靠譜。筆者是快充黑一枚。觀點僅代表本人，不代表單位立場。
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