詳解快充技術(shù)對于鋰電池的重要性

　　鋰電池分為正極和負(fù)極兩個材料。我們經(jīng)常說的磷酸鐵鋰、三元材料這些其實(shí)指的是鋰電池的正極。現(xiàn)在在全世界有成千上萬的實(shí)驗(yàn)室都在試圖開發(fā)性能更好的鋰電池，其實(shí)大家無非是想在金屬氧化物中尋找一種性能更好的、容量更高、壽命更長，或者是充放電的功率更好的一些正極材料，或者是在負(fù)極上下功夫。我們通常用的比較多的鋰電池的負(fù)極材料是石墨，但是最近這些年也出現(xiàn)了一個新的負(fù)極材料，就是鈦酸鋰。

這張圖只是一個引子。那么快充的核心是什么？

　　在鋰離子電池放電的時候，這個鋰離子是從負(fù)極材料里跑出來，然后跑到正極去，這個過程其實(shí)相對來說比較容易實(shí)現(xiàn)，也就是說鋰電池的放電功率可以做得很大。

　　但是傳統(tǒng)來說，充電就不這么容易了，充電的時候鋰離子要從正極材料里跑出來，跑到負(fù)極材料里面去，這個過程相對來說比較考驗(yàn)負(fù)極材料，因?yàn)殇囯x子要快速進(jìn)入負(fù)極材料，那這時候?qū)ω?fù)極材料的結(jié)構(gòu)等問題都會造成破壞，所以通常來說，鋰離子電池在快速充電方面表現(xiàn)的性能是不行的。

　　但是快充卻是一個很多人夢寐以求的特征，以往只有超級電容才能表現(xiàn)出來快充，所以要克服鋰電池不能快充的特點(diǎn)，我們要從材料的角度去入手，想辦法去提升材料特別是負(fù)極材料在充電時的性能，這就是在材料或化學(xué)基礎(chǔ)上要做的工作。

　　一、電動公交車的商業(yè)困境

　　那為什么要特別強(qiáng)調(diào)快充這個特征，我想先從電動車的應(yīng)用端來說起。第一個在我們國家推廣這個新能源車的時候，政府最容易推動的市場是電動公交車，純公交車從奧運(yùn)會開始到世博會到現(xiàn)在大概有六七年時間了吧，在很多城市都有應(yīng)用?？匆唤M簡單的數(shù)據(jù)，這個PPT就講到了電動公交車在商業(yè)應(yīng)用中遇到的困境。

　　以12米的純電動大巴為例，公交車每天典型要跑250公里，它當(dāng)然是在A點(diǎn)和B點(diǎn)之間來回地跑，典型的電耗每公里0.8度電，這輛車如果白天跑一整天的話大概要消耗200千瓦時的電量，這個電量看起來不多，但是在配置電池的時候，要考慮兩個系數(shù)，第一個是電池充放電區(qū)間，電池壽命的衰減，這樣的話要配置312個千瓦時的電量，再加上夏天開空調(diào)的耗能，這樣一來，這個電池就要裝到500千瓦時的電量才能夠滿足12米的大巴全天的運(yùn)營。

　　實(shí)際上在現(xiàn)在鋰電池能量密度水平上，如果裝配磷酸鐵鋰，大概500千瓦時的電池可能要6噸重， 目前的成本至少要100萬以上，這樣一個電池在12米在體積和重量上都裝不了， 所以這個方案大家都用不了。

　　通常的做法是裝差不多一半的電即三百千瓦時的電量，這就導(dǎo)致了這個車不能實(shí)現(xiàn)全天的運(yùn)營，通常來說在下午的時候，大巴車會回到充電站進(jìn)行一次被稱為快速補(bǔ)電的工作，這個時間通常會消耗一個小時到一個半小時，補(bǔ)充一部分電量，然后再完成下半段的運(yùn)營。然而這個結(jié)果對公交公司而言降低了它的運(yùn)營效果，因?yàn)樵诎滋斓臅r候有兩個小時不能運(yùn)行。

　　那么緊接著一個問題就是，我們有沒有可能采用能量密度更高的電池來完成這項工作？目前已經(jīng)商業(yè)化的電池中間能量密度最高的是特斯拉用的松下18650的電芯，其電芯的能量密度達(dá)到了230瓦時每公斤，如果真的要裝五百度電的話，重量大概是3.5噸，它能夠滿足全天的運(yùn)營，而且大巴車上也基本上能裝下，但是這個電池使用在公交大巴上面的一個問題就是它的壽命，它重組之后的循環(huán)壽命可能只有五百次，所以我們預(yù)計它在公交上這樣使用的話每天充一次電大概只能用兩到三年。

　　所以我們看到在公交大巴上面使用能量型的電池試圖來解決全天運(yùn)營的需求，實(shí)際面臨著很多工程上以及成本上的問題，要么太重，要么太貴，要么壽命不夠好。

　　但我們還有另外一個思路，如果能反過來考慮這個問題，我們不裝那么多的電池，而是把電池裝得更少，但是使用快速充電的方法。假如我們不需要跑250公里，只需要跑一圈，比如一輛公交車從A點(diǎn)到B點(diǎn)是二十公里，那我只需要裝跑二十公里的電池，然后每次到終點(diǎn)的時候都能夠在五分鐘或者十分鐘之內(nèi)把電充滿，然后跑下一趟，那么這個方案是否也是可行的呢？我們簡單測算一下，如果我們用80千瓦時的電池或者用120千瓦時的電池，那么每天快充四次或者五次、六次，每次充電時間也控制得足夠短，利用司機(jī)到總站休息的時間。也就是說如果我們通過少裝電池的方式，多次充電的方式也能滿足公交的運(yùn)營，但是它對電池提出了一個挑戰(zhàn)，就是說電池要能夠快速充電，那十分鐘左右就要把電充滿。另外，因?yàn)槊刻斓某潆姶螖?shù)會變多，比如說每天從一次變成了三四次甚至五次，那么在快充條件下，要求電池的循環(huán)壽命也會比原來更長。

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