“充電焦慮”和“里程焦慮”是純電動汽車大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化面臨的一大障礙。在近日召開的2019世界新能源汽車大會上，一項(xiàng)名為“高比能快充鋰離子電池”的技術(shù)獲得了全球新能源汽車創(chuàng)新技術(shù)獎。
該技術(shù)突破了石墨體系不能快速充電的技術(shù)瓶頸，在保持高能量密度、高安全性、長壽命等優(yōu)點(diǎn)基礎(chǔ)上，可在15分鐘內(nèi)完成100%充電，確保電動汽車300公里的續(xù)航里程。
這一技術(shù)的秘訣何在，如何能夠在實(shí)現(xiàn)電動車快速充電的同時，也讓新能源用戶感受到類似手機(jī)一樣的“充電五分鐘，通話兩小時”的便捷？
目前業(yè)界的快充方式均有弊端
眾所周知，對于純電動汽車而言，電池系統(tǒng)的充放電性能是決定車輛實(shí)際使用效果的重要指標(biāo)。高能量密度和快速充電能力不僅是各動力電池廠商不斷努力開發(fā)的技術(shù)方向，更是新能源技術(shù)的核心領(lǐng)域。
“鋰離子電池又被稱為搖椅電池。”寧德時代新能源科技股份有限公司(以下簡稱寧德時代)科研項(xiàng)目主管程曉燕告訴科技日報(bào)記者，搖椅的兩端為電池的兩極，鋰離子在搖椅的兩端來回奔跑。充電時，鋰離子從電池的正極經(jīng)過電解液移動到負(fù)極。作為負(fù)極的石墨呈層狀結(jié)構(gòu)，鋰離子通過層間嵌入到石墨中,嵌入的鋰離子越多，充電容量越高。
衡量電動車充電效率的一個關(guān)鍵指標(biāo)是充放電倍率（C）。充放電倍率，可以簡單理解為充、放電的速率。鋰離子電池的充放電倍率，決定了我們可以以多快的速度，將一定的能量存儲到電池里面，或者以多快的速度，將電池里面的能量釋放出來。例如，額定容量為100安時的電池用20安放電時，其放電倍率為0.2C，所用的容量1小時放電完畢，稱為1C放電；5小時放電完畢，則稱為0.2C放電。
業(yè)界普遍認(rèn)為，電動汽車快充是指充電倍率大于1.6C的充電方式，也就是從0%充電到80%時間小于30分鐘的技術(shù)。
顧名思義，要縮短充電時間，就要不斷提高充放電倍率。快充技術(shù)的核心，就是通過化學(xué)體系和設(shè)計(jì)優(yōu)化，加速鋰離子在正負(fù)極間移動的速度。但是，在研發(fā)快充技術(shù)時光考慮速度還不行。
快充時，鋰離子需要加速瞬時嵌入到負(fù)極。這對負(fù)極快速接收鋰離子的能力挑戰(zhàn)很大。普通化學(xué)體系的電池，在快充時負(fù)極會出現(xiàn)析鋰等副產(chǎn)物，影響電芯的循環(huán)和穩(wěn)定性，只能采用可承受快充大電流的負(fù)極材料來做到快充。
程曉燕表示，目前業(yè)界為了實(shí)現(xiàn)快速充電，普遍采用鈦酸鋰和無定形碳作為負(fù)極活性材料，但是鈦酸鋰和無定形碳在實(shí)際應(yīng)用中均不可避免的存在能量密度嚴(yán)重不足、成本高的缺陷，常規(guī)增加導(dǎo)電材料用量的設(shè)計(jì)，也會影響電芯的能量密度。“近年來，部分廠商開始探索將石墨作為活性材料，但石墨在作為快充材料時面臨的難題是，如何讓鋰電子快速從正極釋放出來，再快速從負(fù)極進(jìn)去。”
程曉燕解釋說，石墨更像高速路，雖然能量密度更高，但鋰電子只能順序通過。
也就是說，石墨并非天生適合于快充技術(shù)的材質(zhì)。“但我們用技術(shù)突破了材質(zhì)本身瓶頸，它的殺手锏就是‘快離子環(huán)’和‘超電子網(wǎng)’。”程曉燕感嘆道。
快離子環(huán)和超電子網(wǎng)讓充電加速
“我們以石墨作為負(fù)極主材，創(chuàng)新性運(yùn)用孔道優(yōu)化和‘快離子環(huán)’技術(shù)，在石墨表面打造一圈高速通道，使鋰離子能快速嵌入石墨的任何位置，大大提高鋰離子在石墨負(fù)極的嵌入速度，并且，修飾后的石墨兼顧超級快充和高能量密度的特性，不會在快充時在負(fù)極會出現(xiàn)副產(chǎn)物，影響電芯的循環(huán)和穩(wěn)定性。”程曉燕說。
此外，技術(shù)團(tuán)隊(duì)開發(fā)了“超電子網(wǎng)”技術(shù)修飾正極材料，結(jié)合正負(fù)極極片的晶體取向和容量過量系數(shù)等設(shè)計(jì)參數(shù)調(diào)配，優(yōu)化電解液、正負(fù)極的動力學(xué)性能，使化學(xué)體系和電池設(shè)計(jì)參數(shù)達(dá)到最優(yōu)匹配。
“通俗來講，‘快離子環(huán)’和‘超電子網(wǎng)’分別作用于負(fù)極和正極，為大量鋰離子同時涌入負(fù)極建立快速通道，提高鋰離子擴(kuò)散速率。”程曉燕說。
此外，在機(jī)械件設(shè)計(jì)方面，該團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造性地對電池單體頂蓋進(jìn)行簡化設(shè)計(jì)，將電極端子設(shè)置到頂蓋板側(cè)面并減小端子厚度，顯著降低內(nèi)阻，有效控制快充發(fā)熱量，保證快充可靠性的同時提高5%以上能量密度。
“我們的快充技術(shù)具備4C—5C快充能力，實(shí)現(xiàn)10—15分鐘快速充電，與鈦酸鋰負(fù)極的快充體系相比，具有明顯的能量密度和成本優(yōu)勢，與行業(yè)內(nèi)同樣用石墨作負(fù)極的其他快充技術(shù)相比，保持同等電池能量密度條件下，能提高20%—30%充電速度，并具有更好的循環(huán)和耐候性能。”程曉燕說。
已成功應(yīng)用于5000多臺大巴
目前，寧德時代研發(fā)的以快充石墨為負(fù)極主材的超級鐵鋰快充電池，已經(jīng)應(yīng)用在超過5000臺電動大巴上，大巴運(yùn)行狀態(tài)良好，得到整車企業(yè)和公交用戶的好評，該電池也被交通部評為“新能源公交最佳口碑電池”。
該電池除了能量密度有較大優(yōu)勢，在循環(huán)壽命方面，以應(yīng)用工況較為苛刻的公交車為例，平均每天滿充滿放次數(shù)約2次，粗算下來，滿足8年運(yùn)營需求，電池循環(huán)需要5600次以上。超級鐵鋰電池電芯循環(huán)壽命則可達(dá)10000次，不僅能完全滿足電動車運(yùn)營需求，電動車退役后還可用于儲能等梯次利用，創(chuàng)造更多經(jīng)濟(jì)價(jià)值。
“為了確保快充電芯的安全可靠性，我們還開發(fā)了專門的技術(shù)來識別化學(xué)體系在不同溫度和SOC狀態(tài)下的‘健康充電區(qū)間’, 然后在這個‘健康充電區(qū)間’范圍內(nèi)進(jìn)行快充，就可以既實(shí)現(xiàn)快速充電，又可以不讓電池受到快充的損害，做到快充、長循環(huán)和安全可靠性兼顧。”程曉燕表示。
耐候性方面，為滿足北方冬天低溫充電和南方夏天高溫工況的要求，技術(shù)團(tuán)隊(duì)專門開發(fā)了高效熱管理系統(tǒng)，確保電池處于合理的溫度區(qū)間。低溫時可快速為電芯加熱，溫度達(dá)到要求即可開啟快充模式；高溫時，系統(tǒng)會給電芯降溫，真正做到“全氣候”的快充。
“我們正在開發(fā)單體能量密度大于160瓦時每千克的2C—2.5C高能量密度長壽命（循環(huán)大于6000次）快充鐵鋰電池，預(yù)計(jì)2019年年底量產(chǎn)。本技術(shù)同時向三元體系乘用車應(yīng)用與發(fā)展，已實(shí)現(xiàn)350公里續(xù)航，15分鐘內(nèi)完成充電。”程曉燕說，公司還計(jì)劃在未來1—2年內(nèi)推出能量密度高達(dá)255瓦時每千克的三元動力電池產(chǎn)品，可在18分鐘內(nèi)完成快速充電。
