钜大LARGE | 点击量：878次 | 2021年04月08日
从动力锂电池看新能源汽车快充将走向何方
电动汽车在使用中，消费者最为担心的还是充电时间和续航里程的问题，在目前的技术水平下，充电时间与续航里程难以兼得，因此动力锂电池也就发展出了两条路线，一种是专注续航里程的比能量派，重要是通过不断的提高锂离子电池的比能量，从而新增电动汽车的续航里程;第二种是专注减少充电时间的快充派，重要是通过改善锂离子电池的快充性能，缩短电动汽车的充电时间。随着技术进步和对锂离子电池材料的深入研究，快充技术曾经遇到的难题可能也会一一迎刃而解。
●综合多方意见，可以含义充电倍率小于1.6C为慢充，1.6C-3C为小快充，3C以上为快充。
●不同技术路线的快充型动力锂电池各有优劣，适用不同的新能源产品。
●三元快充电池适合乘用车，钛酸锂等适合客车，钛铌氧化物或将是快充新方向。
●目前快充型电池重要在客车领域应用较多，未来快充型动力锂电池的消费结构将会向用车、专用物流车偏移。
符合Exic IIB T4 Gc防爆标准
充电温度：0~45℃
-放电温度：-40~+55℃
-40℃最大放电倍率：1C
-40℃ 0.5放电容量保持率≥70%
一、如何理解快充?
要理解快充，一个专业术语是逃不掉的充放电倍率C，可以简单理解为充、放电的速率。锂离子电池的充放电倍率，决定了我们可以用多快的速度，将一定的能量存储到电池里面，或者以多快的速度，将电池里面的能量释放出来。
根据2018年新能源汽车补贴政策，充电倍率小于3C的属于非快充类纯电动客车，充电倍率高于(含)3C则属于快充类纯电动客车类。但快充的补贴划分只针对新能源客车，无乘用车和物流车标准。
根据业界及宁德时代的含义，电动汽车快充是指充电电流大于1.6C的充电方式，也就是从0%充电到80%时间小于30分钟的技术。笔者综合多方意见，提出充电倍率小于1.6C为慢充，1.6C-3C为小快充，3C以上为快充。多数电动乘用车都能达到小快充，快充型客车的充电倍率则大部分集中在3C-5C。
假如我们把锂离子电池形象地比喻为一把摇椅，摇椅的两端为电池的两极，而锂离子就像优秀的运动健将，在摇椅的两端来回奔跑。充电时，电池的正极上有锂离子生成，生成的锂离子经过电解液运动到负极。作为负极的碳呈层状结构，它有很多微孔，以供到达负极的锂离子嵌入。嵌入的锂离子越多，充电容量越高。
快充时，锂离子要加速瞬时嵌入到负极。这对负极快速接收锂离子的能力挑战很大。普通化学体系的电池在快充时负极会出现副产物，影响电芯的循环和稳定性。能量密度与功率密度，在同一只电池中可以说是顾此失彼的两个方向。
无论是国家政策导向还是公司技术布局，普遍追求高能量密度。当动力锂电池的能量密度足够高，一台车装载电量足够大，可以防止所谓里程焦虑，关于快速充电的需求就会降低。但是，电量大了，假如成本没有降下来也很难被市场接受。因此，假如能在控制好电池成本的前提下，用便捷的充电能力+适用的续航里程，就能极大缓解用户焦虑，这样一来快充就有存在的价值。
二、不同技术路线电池的快充应用前景
充电的快慢和动力锂电池、充电桩、电动汽车整车、电网等整体技术和设计要求都息息相关，其中最大的影响因素还是在于电池。我们具体来讨论不同类型的动力锂电池在快充技术方向上的应用趋势。各种正极材料几乎都可以用来制造快充型电池，但适用性和优劣各不相同。
1、三元快充型电池更适用于电动乘用车
三元电池因其有较高的能量密度更受到重视，材料本身导电性能优异，但反应活性太高，因此对快充安全性提出了较大的挑战。
三元电池快充体系的代表公司有宁德时代、比克等。宁德时代研发了超导电子网和快离子环技术，可实现15分钟内SOC从5%充电到85%，能量密度190Wh/kg，循环寿命超过2500次，重要应用领域为乘用车，预计2018年内具有批量生产的能力。
比克今年五月最新推出的3.0高能芯通过引入硅系负极材料、高镍正极材料，以及专门开发的电解液，其能量密度高达近250Wh/kg，可实现500公里超长续航里程。通过充电策略设计，有效缩短充电时间，提高充电效率。在极端的应急模式下，充电10分钟可行驶60公里。
按照燃油车的使用习惯，要实现充电时间在10-20分钟以内完全充满电，充电倍率至少要3-6C之间。目前市面上的纯电动乘用车大多数是半小时到1小时充满80%电量，比以前两三小时的充电时间已提升了不少，未来有望进一步压缩到20分钟内。
2、磷酸铁锂快充乘商均可用
磷酸铁锂在快充领域不具有先天优势，从材料上看，磷酸铁锂材料的本征电导率比较低，仅为三元材料的百分之一，要对磷酸铁锂材料进行导电性优化才能满足快充的需求。但磷酸铁锂的材料成本相对较低，结合成熟的技术背景及稳定的产品性能，有较为广泛的应用前景，代表公司有宁德时代、沃特玛等。
受限于理论能量密度的极值限制，磷酸铁锂未来在能量密度方面的发挥空间不大。但关于客车、物流车、专用车等商用车现已选用磷酸铁锂体系而言，关于能量密度的提升并不是必须的，而快充则越来越体现出其重要性。
3、锰酸锂离子电池适用于插电式混动客车
锰酸锂离子电池具备功率性能、放电倍率性能、低温性能好，电压频率高的特点，且在三元上游原材料疯涨的态势下，锰酸锂的成本优势正在逐步突显。但在能量密度、高温性能等方面仍然要提升。近年来，锰酸锂快充电池在插电式混动客车领域占比上升显著，代表公司为中信国安盟固利、亿鹏新能源、微宏动力。
然而，锰酸锂离子电池在高温条件下循环性能欠佳，通过正极掺杂可以改善锰酸锂离子电池高温性能，但改性后的锰酸锂材料已非原来的锰酸锂了。业内常用多元复合材料，正极采用三元材料和锰酸锂混合体系，负极则采用多孔复合碳，进一步提升快充的性能，但安全性仍然要重点关注并不断提升改进。
4、钛酸锂快充电池适用于纯电动客车
钛酸锂动力锂电池是以负极材料命名，正极采用三元材料，以珠海银隆、微宏动力、天津捷威为典型公司。从性能来看，钛酸锂离子电池的低温性能优越、安全性和循环使用性能较好，作为快充电池的倍率性能也得到业界的肯定。但是钛酸锂目前突出的问题有两点：其一，能量密度相对较低，在政策、市场均要求不断提升能量密度的压力下，当前钛酸锂的市场份额在整个动力锂电池市场中占比较低。其二，受高成本的小金属材料如钛、镍、钴的影响，钛酸锂离子电池成本明显要高于其他体系。
钛酸锂离子电池在循环寿命方面明显优于其他体系快充型电池，这因材料本身特性，即零应变特性决定。但其劣势明显，能量密度较低，能量密度只有三元体系的一半左右。再加之价格偏高，目前大多是在快充公交上应用，后续亟需寻求更高电压的正极材料及匹配电解液来解决此缺陷。
5、快充新方向钛铌氧化物负极材料
钛铌氧化物是基于钛酸锂的基础上研发出现的，重要优势在于相关于钛酸锂理论容量175mAh/g，钛铌氧化物的理论容量在280mAh/g左右。
2017年十月，东芝官方宣布已成功研发新一代车用锂离子电池，有望在2019年商用。该电池采用钛铌氧化物材料，相对目前三元、磷酸铁锂等技术，实现颠覆性进步。新电池具备能量密度高、充电效率快等优点，只需充电6分钟就能达到90%的电量，可行驶320公里。目前锂离子电池平均需30分钟才能充至80%电量。
此外，石墨烯电池的概念一直比较火热，但行业内也存在争议。在锂离子电池中应用，石墨烯重要做负极活性材料和导电添加剂。单就快充能力来看，采用石墨烯作为导电剂，或用石墨烯包覆磷酸铁锂/三元锂材料，能达到较好快充效果。但综合成本、工艺难度等指标来看，仍有很大挑战性。
三、快充产品市场前景
能量密度高，充电快，价格便宜，这是用户最期待的理想型动力锂电池产品。然而鱼与熊掌不可兼得，在现有的锂离子电池体系下，倍率性能、能量密度、寿命、安全性、价格等动力锂电池最重要的五个指标都固定在比较稳定的特种图里面，提高任何一个指标，其他的指标相对来说都会受到损失。
目前快充动力锂电池重要应用于新能源客车，因其对城市及受众单位选择性强，即有相对财力支持的城市或单位，比较倾向于快充型电池客车。但从市场发展潜力来看，未来乘用车、专用物流车的增速及市场规模将高于客车，因此未来快充型动力锂电池的消费结构将会向这两类车型偏移。
根据电池我国数据，2017年我国快充客车产量6486辆，电池装机量达597.52MWh，占新能源客车总量的6%。其中，快充客车产品充电倍率最高为6.42C。倍率在3C-5C车型产量为4771辆，电池装机量为480.68MWh;倍率在5C-10C车型产量为1715辆，电池装机量为116.84MWh。目前快充客车快充倍率重要集中在3C-5C之间。从电池类型来看，2017年快充客车的电池材料重要以钛酸锂为主，装机量为571.54Mwh，占比95.65%。
根据2017年4种类型动力锂电池出货量，1.54GWh锰酸锂部分用于插电式混动汽车，部分满足小快充要求，16GWh三元电池汽车部分满足小快充要求。整体来看，三元快充电池适合乘用车，磷酸铁锂、钛酸锂等快充电池适合客车，锰酸锂快充电池适合插电式混动汽车，钛铌氧化物或是快充新方向。沃特玛目前正通过狠抓电池技术创新等手段，来破局当前面对的续航里程困境。电池技术方面，快充技术已成为沃特玛的核心竞争力。沃特玛高倍率快充电池采用小粒径LFP、小粒径人造石墨、快充电解液以及高孔隙率隔膜，以保证电池的快充性能，沃特玛32650－5．0Ah电池已实现6C充电恒流比90％，6C循环1000周，3C循环2000周。
基于沃特玛领先的高倍率快充技术和浅充浅放的模式，纯电动物流车可利用装卸货时间快速充电10分钟，补电30％SOC，完全能保证电动汽车的运营需求。目前沃特玛电池已经实现单体6C充放电、成组2－3C充放电，即20－30分钟充满电，快充速度是同行2－4倍以上。
创新的电池技术，使沃特玛突破续航瓶颈，赢得了市场的广泛认可。截至六月二日，沃特玛已经配套推荐目录车型共计119款，其中纯电动物流车50款，排名第一。
