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        從電池看新能源車快充走向何方

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          充電的快慢和動力電池、充電樁、電動汽車整車、電網等整體技術和設計要求都息息相關,其中最大的影響因素還是在于電池。我們具體來討論不同類型的動力電池在快充技術方向上的應用趨勢。
          電動汽車在使用中,消費者最為擔心的還是充電時間和續航里程的問題,在目前的技術水平下,充電時間與續航里程難以兼得,因此動力電池也就發展出了兩條路線,一種是專注續航里程的比能量派,主要是通過不斷的提高鋰離子電池的比能量,從而增加電動汽車的續航里程;第二種是專注減少充電時間的快充派,主要是通過改善鋰離子電池的快充性能,縮短電動汽車的充電時間。隨著技術進步和對鋰電池材料的深入研究,快充技術曾經遇到的難題可能也會一一迎刃而解。
          如何理解快充?
          要理解快充,一個專業術語是逃不掉的——充放電倍率C,可以簡單理解為充、放電的速率。鋰離子電池的充放電倍率,決定了我們可以用多快的速度,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。
          根據2018年新能源汽車補貼政策,充電倍率小于3C的屬于非快充類純電動客車,充電倍率高于(含)3C則屬于快充類純電動客車類。但快充的補貼劃分只針對新能源客車,無乘用車和物流車標準。
          根據業界的定義,電動汽車快充是指充電電流大于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。筆者綜合多方意見,提出充電倍率小于1.6C為慢充,1.6C-3C為小快充,3C以上為快充。多數電動乘用車都能達到“小快充”,快充型客車的充電倍率則大部分集中在3C-5C。
          如果我們把鋰離子電池形象地比喻為一把搖椅,搖椅的兩端為電池的兩極,而鋰離子就像優秀的運動健將,在搖椅的兩端來回奔跑。充電時,電池的正極上有鋰離子生成,生成的鋰離子經過電解液運動到負極。作為負極的碳呈層狀結構,它有很多微孔,以供到達負極的鋰離子嵌入。嵌入的鋰離子越多,充電容量越高。
          快充時,鋰離子需要加速瞬時嵌入到負極。這對負極快速接收鋰離子的能力挑戰很大。普通化學體系的電池在快充時負極會出現副產物,影響電芯的循環和穩定性。能量密度與功率密度,在同一只電池中可以說是顧此失彼的兩個方向。
          無論是國家政策導向還是企業技術布局,普遍追求高能量密度。當動力電池的能量密度足夠高,一臺車裝載電量足夠大,可以避免所謂“里程焦慮”,對于快速充電的需求就會降低。但是,電量大了,如果成本沒有降下來也很難被市場接受。因此,如果能在控制好電池成本的前提下,用便捷的充電能力+適用的續航里程,就能極大緩解用戶焦慮,這樣一來快充就有存在的價值。
          不同技術路線電池的快充應用前景
          充電的快慢和動力電池、充電樁、電動汽車整車、電網等整體技術和設計要求都息息相關,其中最大的影響因素還是在于電池。我們具體來討論不同類型的動力電池在快充技術方向上的應用趨勢。各種正極材料幾乎都可以用來制造快充型電池,但適用性和優劣各不相同。
          1、三元快充型電池更適用于電動乘用車
          三元電池因其有較高的能量密度更受到重視,材料本身導電性能優異,但反應活性太高,因此對快充安全性提出了較大的挑戰。
          三元電池快充體系的代表企業有寧德時代、比克等。寧德時代研發了“超導電子網”和“快離子環”技術,可實現15分鐘內SOC從5%充電到85%,能量密度190Wh/kg,循環壽命超過2500次,主要應用領域為乘用車,預計2018年內具有批量生產的能力。
          比克今年5月最新推出的3.0高能芯通過引入硅系負極材料、高鎳正極材料,以及專門開發的電解液,其能量密度高達近250Wh/kg,可實現500公里超長續航里程。通過充電策略設計,有效縮短充電時間,提高充電效率。在極端的應急模式下,充電10分鐘可行駛60公里。
          按照燃油車的使用習慣,要實現充電時間在10-20分鐘以內完全充滿電,充電倍率至少需要3-6C之間。目前市面上的純電動乘用車大多數是半小時到1小時充滿80%電量,比以前兩三小時的充電時間已提升了不少,未來有望進一步壓縮到20分鐘內。
          2、磷酸鐵鋰快充乘商均可用
          磷酸鐵鋰在快充領域不具有先天優勢,從材料上看,磷酸鐵鋰材料的本征電導率比較低,僅為三元材料的百分之一,需要對磷酸鐵鋰材料進行導電性優化才能滿足快充的需求。但磷酸鐵鋰的材料成本相對較低,結合成熟的技術背景及穩定的產品性能,有較為廣泛的應用前景,代表企業有寧德時代、沃特瑪等。
          受限于理論能量密度的極值限制,磷酸鐵鋰未來在能量密度方面的發揮空間不大。但對于客車、物流車、專用車等商用車現已選用磷酸鐵鋰體系而言,對于能量密度的提升并不是必須的,而快充則越來越體現出其重要性。
          3、錳酸鋰電池適用于插電式混動客車
          錳酸鋰電池具備功率性能、放電倍率性能、低溫性能好,電壓頻率高的特點,且在三元上游原材料瘋漲的態勢下,錳酸鋰的成本優勢正在逐步突顯。但在能量密度、高溫性能等方面仍然需要提升。近年來,錳酸鋰快充電池在插電式混動客車領域占比增長顯著,代表企業為中信國安盟固利、億鵬新能源、微宏動力。
          然而,錳酸鋰電池在高溫條件下循環性能欠佳,通過正極摻雜可以改善錳酸鋰電池高溫性能,但改性后的錳酸鋰材料已非“原來的錳酸鋰”了。業內常用“多元復合材料”,正極采用三元材料和錳酸鋰混合體系,負極則采用多孔復合碳,進一步提升快充的性能,但安全性仍然需要重點關注并不斷提升改進。
          4、鈦酸鋰快充電池適用于純電動客車
          鈦酸鋰動力電池是以負極材料命名,正極采用三元材料,以珠海銀隆、微宏動力、天津捷威為典型企業。從性能來看,鈦酸鋰電池的低溫性能優越、安全性和循環使用性能較好,作為快充電池的倍率性能也得到業界的肯定。但是鈦酸鋰目前突出的問題有兩點:其一,能量密度相對較低,在政策、市場均要求不斷提升能量密度的壓力下,當前鈦酸鋰的市場份額在整個動力電池市場中占比較低。其二,受高成本的小金屬材料如鈦、鎳、鈷的影響,鈦酸鋰電池成本明顯要高于其他體系。
          鈦酸鋰電池在循環壽命方面明顯優于其他體系快充型電池,這因材料本身特性,即“零應變”特性決定。但其劣勢明顯,能量密度較低,能量密度只有三元體系的一半左右。再加之價格偏高,目前大多是在快充公交上應用,后續亟需尋求更高電壓的正極材料及匹配電解液來解決此缺陷。
          5、快充新方向——鈦鈮氧化物負極材料
          鈦鈮氧化物是基于鈦酸鋰的基礎上研發產生的,主要優勢在于相對于鈦酸鋰理論容量175mAh/g,鈦鈮氧化物的理論容量在280mAh/g左右。
          2017年10月,東芝官方宣布已成功研發新一代車用鋰離子電池,有望在2019年商用。該電池采用鈦鈮氧化物材料,相對目前三元、磷酸鐵鋰等技術,實現顛覆性進步。新電池具備能量密度高、充電效率快等優點,只需充電6分鐘就能達到90%的電量,可行駛320公里。目前鋰電池平均需30分鐘才能充至80%電量。
          此外,“石墨烯電池”的概念一直比較火熱,但行業內也存在爭議。在鋰電池中應用,石墨烯主要做負極活性材料和導電添加劑。單就快充能力來看,采用石墨烯作為導電劑,或用石墨烯包覆磷酸鐵鋰/三元鋰材料,能達到較好快充效果。但綜合成本、工藝難度等指標來看,仍有很大挑戰性。
          快充產品市場前景
          能量密度高,充電快,價格便宜,這是用戶最期待的理想型動力電池產品。然而“魚與熊掌不可兼得”,在現有的鋰離子電池體系下,倍率性能、能量密度、壽命、安全性、價格等動力電池最重要的五個指標都固定在比較穩定的雷達圖里面,提高任何一個指標,其他的指標相對來說都會受到損失。
          目前快充動力電池主要應用于新能源客車,因其對城市及受眾單位選擇性強,即有相對財力支持的城市或單位,比較傾向于快充型電池客車。但從市場發展潛力來看,未來乘用車、專用物流車的增速及市場規模將高于客車,因此未來快充型動力電池的消費結構將會向這兩類車型偏移。
          根據電池中國數據,2017年我國快充客車產量6486輛,電池裝機量達597.52MWh,占新能源客車總量的6%。其中,快充客車產品充電倍率最高為6.42C。倍率在3C-5C車型產量為4771輛,電池裝機量為480.68MWh;倍率在5C-10C車型產量為1715輛,電池裝機量為116.84MWh。目前快充客車快充倍率主要集中在3C-5C之間。從電池類型來看,2017年快充客車的電池材料主要以鈦酸鋰為主,裝機量為571.54Mwh,占比95.65%。
          根據2017年4種類型動力電池出貨量,1.54GWh錳酸鋰部分用于插電式混動汽車,部分滿足小快充要求,16GWh三元電池汽車部分滿足小快充要求。整體來看,三元快充電池適合乘用車,磷酸鐵鋰、鈦酸鋰等快充電池適合客車,錳酸鋰快充電池適合插電式混動汽車,鈦鈮氧化物或是快充新方向。
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