補(bǔ)能焦慮何解？多家電池企業(yè)超級(jí)快充技術(shù)“亮劍”

近年來(lái)，我國(guó)純電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)銷(xiāo)量同步增長(zhǎng)，2021年分別完成294.2萬(wàn)輛和291.6萬(wàn)輛，同比分別增長(zhǎng)約1.7倍和1.6倍。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2021年年底，全國(guó)新能源汽車(chē)保有量約784萬(wàn)輛。其中，純電動(dòng)汽車(chē)保有量640萬(wàn)輛左右，約占新能源汽車(chē)總保有量的81.6%。

機(jī)構(gòu)預(yù)計(jì)，2022年國(guó)內(nèi)新能源汽車(chē)保有量有望超1400萬(wàn)輛，按現(xiàn)有占比計(jì)算的話(huà)，純電動(dòng)汽車(chē)保有量或?qū)⑼黄?100萬(wàn)輛。然而，隨著國(guó)內(nèi)純電動(dòng)汽車(chē)滲透率的逐年提高，保有量的大幅提升，使得補(bǔ)能焦慮，尤其是長(zhǎng)途中的補(bǔ)能焦慮已成為車(chē)主們關(guān)注的核心問(wèn)題。

政策端，國(guó)家已在積極推動(dòng)緩解純電動(dòng)汽車(chē)的補(bǔ)能問(wèn)題。

2020年，充電設(shè)施作為七大“新基建”之一首次被寫(xiě)入政府工作報(bào)告。而在2021年的政府工作報(bào)告中，明確提出要增加充電樁、換電站等設(shè)施。后續(xù)還提出了實(shí)現(xiàn)純電動(dòng)汽車(chē)與電網(wǎng)的協(xié)同互動(dòng);對(duì)公共充電樁建設(shè)給予財(cái)政支持等諸多新政。

市場(chǎng)端，龐大的補(bǔ)能需求催生出巨大市場(chǎng)空間的同時(shí)，也推動(dòng)了不同補(bǔ)能模式的進(jìn)步。

換電模式在《蟄伏已久的換電，今年或許真的不一樣》一文中已探討過(guò)，本文僅圍繞另一個(gè)補(bǔ)能方式——超級(jí)快充，進(jìn)行分析。

受政策和市場(chǎng)導(dǎo)向影響，包括動(dòng)力電池企業(yè)、汽車(chē)企業(yè)等在內(nèi)的各方參與者競(jìng)相布局超充領(lǐng)域，但技術(shù)路徑卻不盡相同。

眾所周知，P(功率)=U(電壓)×I(電流)，那么，提高電動(dòng)車(chē)單位時(shí)間內(nèi)的充電功率，就需要提高作用于動(dòng)力電池的輸入電壓和電流。

因此，發(fā)展超充技術(shù)目前有兩個(gè)方向：一是大電流直流超充，二是高電壓直流超充，通過(guò)加大電流或提升電壓，從而提高充電功率。

其中，大電流直流超充方案，目前屬于少數(shù)派陣營(yíng)。以特斯拉為典型代表，其V3超充樁最大輸出電流接近520A。

雖然V3的峰值充電功率可達(dá)250kW，但從車(chē)主們實(shí)際使用情況來(lái)看，基本上在電量5%-20%時(shí)才能達(dá)到峰值充電功率。當(dāng)電量超過(guò)20%后，充電功率則會(huì)逐漸下降。在電量30%-90%時(shí)，充電優(yōu)勢(shì)并不明顯。也就是說(shuō)它是一個(gè)先快后慢的充電過(guò)程。

在安全隱患方面，以線(xiàn)束為例，加大了輸入電流，通常需要更粗的線(xiàn)束，以防線(xiàn)束過(guò)熱導(dǎo)致熔斷事故。雖然目前，在充電樁端，V3超充樁采用循環(huán)水冷等技術(shù)用于線(xiàn)束降溫，使V3較上一代V2超充樁線(xiàn)束更細(xì)，緩解充電時(shí)線(xiàn)束溫度過(guò)高問(wèn)題，但如果再進(jìn)一步大幅加大輸入電流，仍然面臨線(xiàn)束需要加粗，導(dǎo)致成本提高和使用不便等問(wèn)題。而在汽車(chē)端，線(xiàn)束加粗難度則更大。由于線(xiàn)束橫截面積增大，使其剛度增強(qiáng)、難以彎曲，不僅在車(chē)內(nèi)難以布局，而且可能在遭遇碰撞后刺入駕駛艙，造成危險(xiǎn)。

再者，業(yè)內(nèi)認(rèn)為，520A已逼近充電電流上限，進(jìn)一步提升的空間較為有限。

因此，使用高電壓平臺(tái)和與之配套的超級(jí)充電樁，是目前多數(shù)派陣營(yíng)看好的主要方向。高電壓平臺(tái)是指整車(chē)三電系統(tǒng)工作電壓，從當(dāng)前主流的200-400V平臺(tái)，提升至800-1000V高壓平臺(tái)，通過(guò)提高電壓，從而提高充電功率。

相較大電流超充方案，高電壓超充不易造成上述產(chǎn)熱和線(xiàn)束隱患。相較400V平臺(tái)，800-1000V高壓平臺(tái)，可以提升動(dòng)力電池能量使用效率。

車(chē)型方面，自保時(shí)捷Taycan成為首款量產(chǎn)的800V平臺(tái)電動(dòng)車(chē)后，國(guó)內(nèi)外眾多車(chē)企在去年紛紛宣布入場(chǎng)，包括比亞迪、吉利極氪、北汽極狐、廣汽埃安、東風(fēng)嵐圖等國(guó)內(nèi)車(chē)企，以及現(xiàn)代、通用、大眾、奔馳等國(guó)外車(chē)企，均已跟進(jìn)800V高壓平臺(tái)配套車(chē)型，部分有望在2022年起實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。

要適應(yīng)800-1000V高電壓平臺(tái)，對(duì)于所有的用電部件，都是系統(tǒng)性的提升。涉及到汽車(chē)用電部件的升級(jí)迭代，首當(dāng)其沖的就是動(dòng)力電池。

據(jù)了解，保時(shí)捷Taycan可把最大充電功率提升到350kW，在22.5分鐘內(nèi)實(shí)現(xiàn)容量為93.4kWh的動(dòng)力電池從5%到80%的補(bǔ)能，提供300km 續(xù)航。800V高壓平臺(tái)搭配350kW超級(jí)充電樁所能實(shí)現(xiàn)的充電速度，相比目前常見(jiàn)的120kW充電樁將大幅提升。

目前，制約高電壓平臺(tái)動(dòng)力電池的主要因素在于，高電壓超充容易導(dǎo)致動(dòng)力電池正極材料、電解液界面的穩(wěn)定性降低，引起副反應(yīng)的增加，進(jìn)而影響鋰離子電池的工作性能和循環(huán)周期。

但是，縱有重重難關(guān)，作為全球動(dòng)力電池行業(yè)發(fā)展的主要策源地之一，中國(guó)多家頭部動(dòng)力電池企業(yè)包括寧德時(shí)代、孚能科技、蜂巢能源、欣旺達(dá)等，都在就這一技術(shù)積極研發(fā)創(chuàng)新。

具體來(lái)看，電池的充電速度主要取決于鋰離子的脫嵌和遷移速率，當(dāng)采用800V高電壓平臺(tái)后，充電倍率最大可達(dá)6C(目前普遍為2C以下)。在高充電倍率下，鋰離子脫嵌和遷移的速率加快，部分鋰離子來(lái)不及進(jìn)入正負(fù)極，易形成副產(chǎn)物，導(dǎo)致活性物質(zhì)損失，加速電池壽命衰減。且析鋰現(xiàn)象容易加劇，所產(chǎn)生的鋰枝晶一旦刺穿隔膜，將導(dǎo)致電池內(nèi)部短路，造成起火等安全風(fēng)險(xiǎn)。

有鑒于此，動(dòng)力電池企業(yè)從多個(gè)方面開(kāi)拓攻關(guān)。

正極材料方面，蜂巢能源的前驅(qū)體定向生長(zhǎng)精準(zhǔn)控制技術(shù)，通過(guò)控制前驅(qū)體合成參數(shù)，一次粒徑放射狀生長(zhǎng)，打造離子遷移“高速公路”，提高離子傳導(dǎo)速度。

還有，廣汽埃安石墨烯電池，將石墨烯與鎳鈷錳酸鋰三元正極材料混合制成，由石墨烯形成一個(gè)近似球面的三維結(jié)構(gòu)，與三元正極分子結(jié)合，增大相互之間傳遞電荷的面積，從而提升電荷傳遞效率，將充電速度提升。

負(fù)極材料方面，是充電倍率突破的重點(diǎn)方向。寧德時(shí)代在負(fù)極石墨的表面，利用“快離子環(huán)”技術(shù)讓石墨結(jié)構(gòu)兼具超級(jí)快充和高能量密度的特性，使石墨層增加鋰離子嵌入速度后可達(dá)4C-5C的超充能力，相當(dāng)于15分鐘完成主要的充電過(guò)程;蜂巢能源推出的負(fù)極表面改性技術(shù)，采用液相包覆技術(shù)在石墨表面包覆無(wú)定形碳，降低阻抗，提升了鋰離子通道工作效率。

電解液方面，以提高導(dǎo)電率且不與正負(fù)極反應(yīng)為主攻方案，同時(shí)能夠抗高溫、阻燃、防過(guò)充。寧德時(shí)代通過(guò)調(diào)控極片多孔結(jié)構(gòu)的梯度分布，實(shí)現(xiàn)上層高孔隙率結(jié)構(gòu)，下層高壓實(shí)密度結(jié)構(gòu)等。蜂巢能源則采用含硫添加劑/鋰鹽添加劑等低阻抗添加劑體系電解液，降低正負(fù)極界面成膜阻抗，從而提高電解液導(dǎo)電率。

此外，還可以通過(guò)改善制漿、涂布等生產(chǎn)工藝，提高電池倍率性能。

從技術(shù)成果來(lái)看，較早布局的寧德時(shí)代，2019年宣布其超充技術(shù)僅需15分鐘可將SOC從8%增加到80%。結(jié)合超充型電芯產(chǎn)品，可實(shí)現(xiàn)電動(dòng)車(chē)充電5分鐘，續(xù)航150km。

孚能科技于2021年已率先發(fā)布800VTC超充超壓技術(shù)，也是國(guó)內(nèi)首個(gè)宣布可量產(chǎn)的800V高壓平臺(tái)，預(yù)計(jì)2022年10月將正式進(jìn)入量產(chǎn)階段。該平臺(tái)技術(shù)可達(dá)2.7C，整包充電等效2.2C。SOC 10%到80%充電僅需15分鐘，高于當(dāng)下的充電速度。據(jù)介紹，其下一代產(chǎn)品技術(shù)可將這一過(guò)程縮短至7分鐘。

蜂巢能源為其短刀電池全品類(lèi)已可以提供包括蜂速4C快充技術(shù)，面向800V電池系統(tǒng)，可以提供適應(yīng)800V高壓平臺(tái)的高效熱管理技術(shù)、冷蜂熱阻隔技術(shù)。

車(chē)型方面，搭載寧德時(shí)代電池的長(zhǎng)安阿維塔首款車(chē)型，支持200kW超充。小鵬G9 SUV以800V高壓碳化硅+480kW超充技術(shù)作為一大優(yōu)勢(shì)，亮相去年年底車(chē)展，成為國(guó)內(nèi)首款基于800V高壓碳化硅平臺(tái)的量產(chǎn)車(chē)。據(jù)介紹，可實(shí)現(xiàn)“充電5分鐘，續(xù)航200km”。有媒體報(bào)道，小鵬G9 SUV動(dòng)力電池A供為欣旺達(dá)4C超充技術(shù)電池。

另外，為充分發(fā)揮800V高壓平臺(tái)超充技術(shù)優(yōu)勢(shì)，廣汽埃安、小鵬汽車(chē)等企業(yè)已開(kāi)始加速鋪設(shè)最大功率480kw高壓超充樁。

現(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)補(bǔ)能仍將是“超充”+“換電”2種模式并行推進(jìn)的格局。不管哪種，逼近燃油車(chē)加油速度是繞不開(kāi)的目標(biāo)，對(duì)于頭部動(dòng)力電池企業(yè)而言，在技術(shù)研發(fā)積累曲線(xiàn)下，能夠真正滿(mǎn)足市場(chǎng)快速充電需求的產(chǎn)品，要想實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)還有很長(zhǎng)一段路要走。