锂离子电池“快”充问题的"慢"思考：现今的电动汽车能快充吗？

“遵循科学规律，不要盲目”、“先把安全可靠的技术发展起来”，在十月十七日至十八日北京举办的“我国宜春·2018全球锂电产业链高峰论坛”上，来自学界业界的人士，纷纷就锂离子电池发展安全性的问题，如是呼吁。

锂离子电池（Li-ionBattery）由锂离子电池（LithiumBattery）发展而来。锂离子电池在人们的生活中由来已久，比如纽扣电池就属于锂离子电池。锂离子电池的正极材料是二氧化锰或亚硫酰氯，负极是金属锂。电池组装完成后电池即有电压，不再充电。锂离子电池一般禁止充电，因为其充电放电过程中容易形成锂枝晶，造成电池内部短路。

1992年，日本索尼公司发明了以炭材料为负极，以含锂化合物作正极的电池，在充放电过程中，只有锂离子，没有金属锂存在，也就是现在的锂离子电池。此后，日本索尼能源开发公司和加拿大Moli能源公司分别研制成功了新型的锂离子蓄电池（以下简称“锂离子电池”）。目前锂离子电池已广泛用于各类手持式电子产品和电动汽车上。

关于锂离子电池来说，性能好坏表现在两个指标上：一个是充放电倍率，代表了电池的充电速度；一个是能量密度，决定了一辆车能续航多少公里。然而，对这两项指标的盲目追求，很大程度上牺牲的是安全系数。

“快速充电技术目前还没有出路”

“这些着火的事件，至少有60%是在充电或充电刚刚结束的时候出的事，说明充电出了大问题。”国家863电动汽车重大专项动力锂电池测试中心主任王子冬表示。

锂离子电池在充电过程中，锂离子在两个电极之间往返嵌入和脱嵌，正极负极不发生氧化反应。但是王子冬提出，现在充电的方法和使用过程充电都是用的氧化还原反应，不是锂离子电池遵循自身规律应该有的充电方法。此前王子冬团队的实验结果显示，使用现在的充电方法，大概能使电池寿命降低30%。因此在这样的情况下，王子冬认为不应当考虑用大电流充电。

锂离子电池的充放电倍率是指单位额定容量内的充放电电流，例如额定容量为100Ah的电池用20A充放电时，其充放电倍率就为0.2C。一般锂离子电池充电电流设定在0.2C至1C之间，电流越大，充电越快，但同时电池发热现象也越严重。目前纯电动汽车的充电容量都是慢充化的，基本在0.3C到0.5C之间。另一方面，用过大的电流充电会造成容量不够满，这是因为电池内部的电化学反应要时间。和倒啤酒的相同，倒太快会出现泡沫，反而倒不满。

北京大学新能源材料与技术实验室主任其鲁介绍，今天的多元正极金属复合氧化物电池要实现8分钟充电，理论上大概要用10C的倍率才能做到，“这个能量不可想象”。

这些技术瓶颈实际上并不是新问题，其鲁是我国锂离子电池研究领域的先锋人物之一，曾担任2008年奥运会清洁能源电动汽车用动力锂电池项目的首席科学家，早在北京奥运会时期，他们就针对各类问题做过各种实验。当时三元材料电池已经可以在5分钟内完成充电。在实验里，三元锂离子电池在快速充电的过程中，热量不能迅速释放，使得爆炸的可能性大大新增。考虑到安全问题，其鲁表示这种技术不能用到纯电动汽车上，只能用在电池混合动力车。

此外，动力锂电池的快充还面对着一个非常现实的问题——城市的电力基本设施无法满足个需求。假设一辆公交车用的是150kWh的电池，要5分钟来充电，一辆公交车就要100kW供电能力，假如同时有几百辆上千辆公交车一起充电，会对电网造成很大的冲击。

“今天的城市电网根本做不到这一点。”其鲁表示。

目前，王子冬的团队正研究充电过程中根据电池特性调整充电方法，改了不同的充电方法后，普通标准充电法充500次的电池寿命，在新方法下可以做到充电1000次，有效减缓了电池的衰减。所以王子冬表示，即便有很多瓶颈，锂离子电池一定会有特别适合自己的充电方法。

其鲁认为，现阶段最合适的是以车位为单位接线充电，两三个小时、五六个小时、甚至一个晚上，这是充电技术完全可以做到。通过先把安全可靠的充电方式发展起来，来推动电动汽车的稳步、安全、健康发展。

能量密度与安全性是一对矛盾

2018年二月，财政部、工信部等四部委联合公布《有关调整完善新能源汽车推广应用财政补贴政策的通知》，取消了对续驶里程150公里以下纯电动汽车的补贴，对续驶里程超过300公里的纯电动汽车补贴则增至3.4万元，超过400公里的车型补贴增至5万元。

美国加州大学戴维斯分校我国交通能源中心主任王云石分析，这意味着纯电动汽车在达到与汽油车类似的续驶里程后，续驶里程越长越好。新政策可能希望通过对动力锂电池系统能量密度的要求，来推进动力锂电池的发展。

锂离子电池的能量密度(Wh/kg)是指单位重量的电池能储存的能量多少，重要由电池的材料特性决定。按普通铅酸电池的能量密度约为40Wh/kg计算，假如使用铅酸电池驱动家用汽车行驶200公里以上，则要将近1吨的电池。因此把电池重量控制在一定范围的前提下，电池的能量密度越大，汽车的续航里程就越长。

能量密度数值理应是越高越好，但电池是能量高度集中的小型装置，当更小体积里聚集更多能量时，假如使用不当，比如温度升高或突然遇到剧烈碰撞，其出现的后果甚至可以和炸弹相提并论。

尽管在高能量密度电池包的装机数量有了极大提升，但如何平衡能量密度与安全性的问题尚未得到解决。

“在今天，能量密度毫无疑问和电池安全性成反比，我们还没有解决好这个问题。”其鲁表示。

目前我国国内量产的锂离子电池，理论电芯能量密度在300到400Wh。在这个上限尚无突破办法的情况下，可以通过减磨隔膜的方式，扩大材料空间，从而提高能量密度。隔膜的用途是使电池的正、负极分隔开来，防止两极接触而短路，并让电解质离子通过。

“这是最简单，也是最危险的办法。”王子冬表示。

王子冬介绍，此前他的研究团队了解过三星Note7的着火事件，检查发现三星Note7的电池使用的隔膜约在45微米到46微米左右厚，在使用同质材料的情况下，有些动力锂电池制造厂商甚至在考虑用10微米、8微米厚的隔膜，在他看来这样的想法“很胆大”。

由于电池制造过程当中防止不了掉颗粒的现象，实际隔膜都会带些细微的“工伤”，在材料没有突破的前提下，超薄的隔膜、可燃的电解液、加上暗流涌动的枝晶，若在这一环节铤而走险便会埋下爆炸隐患。

“在没有掌握住锂离子电池的着火规律前，把控能量密度、安全性和寿命的平衡关系，是我们不能忽视的问题。”王子冬说。

实际上，能量密度与安全性这一“鱼与熊掌”的问题，不仅困扰着我国的锂离子电池技术发展，同样也困扰着业内领先的韩国和日本。来自德意志证券韩国公司的分析师SeunghoonHan表示，目前没有哪家公司敢说其技术路线是完全确定的，但每个公司都认为他们的电池是最安全的。鉴于其他很多行业都通过标准化和规范化，引导解决了很多安全问题，如今锂离子电池行业发展面对的这些安全问题，或许也可以要标准化来解决。而这些发展瓶颈期的问题，并不影响快充技术和提高能量密度依然是未来的技术发展方向。

“只有将安全指标标准化、规范化之后，技术发展才会更容易确定什么是更安全的，什么是不安全的。”Han表示。

另一方面，高能量密度意味着要高密度的材料，高密度的材料将会决定储存电能的大小。当一种材料能做到的厚度达到安全极限却还低于人们期望的时候，很多人将目光转向寻求新的材料。王子冬认为，假如没有材料上突破，突破高能量密度这一问题，将会在瓶颈期会停滞很长的时间，10年或50年都有可能。

而关于最近很火的石墨烯、纳米材料等，其鲁却并不看好。他表示，包括此前使用的硫酸亚铁锂在内，这些材料实际上都是低密度材料，而三元材料多元材料等密度则高很多，未来甚至还能将密度做得更高。

“从材料角度看，石墨烯导电性能好，但由材料推导到电池再推导到电动汽车上，概念能相同吗？”其鲁说，“纳米材料在这个领域当中不会有什么具体应用。”

不管是快充还是高能量密度，其鲁认为一定要戒骄戒躁、保持警惕，尤其对类似固态锂离子电池这类能保证能量密度、使用又安全的技术，在没有很好电导率的电解质材料出现之前，对这类电池的产业化不应抱有太多期望。

“我们还是要全力以赴发展出我们可行的技术，我认为最重要的是我们‘明天的技术’。”其鲁表示。