快充技術(shù)也許是實(shí)現(xiàn)車輛全面電動(dòng)化的關(guān)鍵

維科網(wǎng)鋰電在3月5日的文章“鋰離子電池快充問題，這篇文章總結(jié)全了！”中提到快充原理、電池衰退的影響、多尺度設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)快充、快充充電策略、熱管理、過充引發(fā)的熱失控以及防止過充等。

當(dāng)前，全球車輛趨于向電動(dòng)化發(fā)展，以及國家“碳達(dá)峰、碳中和”政策的目標(biāo)下，無論是國際上，還是中國本土，車輛電動(dòng)化已經(jīng)進(jìn)入快速發(fā)展階段。

得益于電池技術(shù)的不斷突破，材料方面三元高鎳，硅碳負(fù)極，高壓電解液等的開發(fā)利用，使得電芯的能量密度在緩慢的突破；結(jié)構(gòu)方面，比亞迪的刀片電池，蜂巢的短刀片電池，寧德時(shí)代的CTP、CTC等技術(shù)的應(yīng)用，使得電池包能夠在單位體積內(nèi)有更大能量的釋放。這些似乎讓里程焦慮有些許緩解。而在電性能方面，與續(xù)航里程同樣至關(guān)重要的那便是快充問題。

北京理工大學(xué)電動(dòng)車輛國家工程研究中心楊曉光教授，賓州州立大學(xué)王朝陽院士等人在Cell子刊One Earth上發(fā)表了評(píng)論性文章“Advancements in extreme fast charging to foster sustainable electrification”（直譯極快充電技術(shù)的進(jìn)步促進(jìn)了可持續(xù)電氣化）。文章指出車輛全面電動(dòng)化轉(zhuǎn)型面臨著包括成本、原材料、碳排放等可持續(xù)性挑戰(zhàn)。作者認(rèn)為極速充電技術(shù)，同時(shí)搭配中小型電池包是解決以上挑戰(zhàn)、實(shí)現(xiàn)全面電動(dòng)化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵技術(shù)路線。

圖片來源One Earth官網(wǎng)

越來越多的國家開始逐漸禁止銷售內(nèi)燃機(jī)汽車，過去幾年見證電動(dòng)汽車了前所未有的市場滲透率。即使在新冠疫情下，全球電動(dòng)汽車年銷量也從2019年的210萬輛增長到2021年的560 萬輛，翻了一番還多。盡管如此，電動(dòng)汽車仍僅占汽車年銷量的7%。要完全實(shí)現(xiàn)電動(dòng)化出行，還有很長的路要走。

小編在文章開始就提到的里程焦慮問題，在論文的第一部分也同樣提到了，這里不再贅述。

快充帶來的可持續(xù)發(fā)展?jié)摿?/span>

快充其實(shí)是消除里程焦慮的另一種有效方法。據(jù)統(tǒng)計(jì)，即使快充的使用頻率不高，利用快速充電站的司機(jī)也可以行駛更長的里程。全世界都在競相建設(shè)快速充電站，美國和歐洲正在積極推動(dòng)極速充電（XFC）技術(shù)的開發(fā)，通過>350 kW的充電器，充電10分鐘即可增加200 英里的行駛里程。盡管車輛工程、充電基礎(chǔ)設(shè)施和技術(shù)經(jīng)濟(jì)性是開發(fā)XFC的重要因素，但是電池本身仍然是電動(dòng)汽車快速充電能力的限制因素。

充電功率、充電倍率與荷電狀態(tài)的關(guān)系（圖片來源One Earth論文）

XFC可能是解決里程焦慮和電池組大小之間兩難境地的解藥。也就是說，一輛電動(dòng)汽車可以用小電池塊滿足日常通勤需求，在長途旅行中可使用XFC來快速補(bǔ)充電量。

如下圖所示，文中比較了使用不同電量電池包的電動(dòng)汽車從鹽湖城到丹佛的行駛時(shí)間。由圖可知，雖然45 kWh電池的續(xù)航里程有限，在行程中需要四次充電，但總續(xù)航時(shí)間與其他兩款大電量電動(dòng)汽車非常相似，僅比傳統(tǒng)ICE車多27分鐘，這表明其在消除里程焦慮中的巨大潛力。此外，更小的電池意味著具有更低的成本、與材料相關(guān)的挑戰(zhàn)更少、與制造相關(guān)的碳排放量更低。因此，XFC和小型電池搭配的戰(zhàn)略符合可持續(xù)性發(fā)展的目標(biāo)。

不同電量電池包所消耗時(shí)間的比較（圖片來源One Earth論文）

快充的劣勢

雖然快充可以具有多種優(yōu)點(diǎn)，但它還不完美?？斐?/span>時(shí)鋰電池面臨的最關(guān)鍵挑戰(zhàn)是金屬鋰在快充時(shí)沉積在石墨表面，而不是嵌入石墨中。這會(huì)大大縮短電池壽命，并且在極端情況下會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部短路，從而導(dǎo)致爆炸燃燒等災(zāi)難性后果。

從根本上說，析鋰過程本質(zhì)上是三個(gè)物理化學(xué)過程相互競爭的結(jié)果1. 電解質(zhì)中的離子轉(zhuǎn)移；2. 石墨-電解質(zhì)界面處的反應(yīng)；3. 石墨顆粒中的固相擴(kuò)散。所以XFC技術(shù)需要在材料、結(jié)構(gòu)和電芯層面進(jìn)行協(xié)同改進(jìn)，以應(yīng)對(duì)與退化、安全和壽命相關(guān)的挑戰(zhàn)。

熱調(diào)控—快充的法寶

防止析鋰的一種有效的方法是熱調(diào)控。較低的溫度會(huì)加劇析鋰，而較高的溫度會(huì)加速材料老化。通過數(shù)值分析，作者發(fā)現(xiàn)電池的最佳溫度隨著充電倍率和電池能量密度的增加而增加。 最近，作者報(bào)道了一種非對(duì)稱溫度調(diào)控方法，該方法將電池快速加熱至較高的溫度（~60°C）進(jìn)行充電，放電或儲(chǔ)存則在低溫環(huán)境中。溫度的升高顯著提高了傳質(zhì)和反應(yīng)速率，消除了快充時(shí)的析鋰。另外，短時(shí)間的高溫并不會(huì)使材料快速老化。

總結(jié)

快充可以同時(shí)結(jié)合縮小電池尺寸（即減小車輛所載電池包的大?。?、降低電池成本、降低材料消耗和減少溫室氣體排放來實(shí)現(xiàn)向電動(dòng)汽車的可持續(xù)過渡。

快充基礎(chǔ)設(shè)施的部署除了滿足技術(shù)要求外，還必須符合更廣泛的可持續(xù)性目標(biāo)。包括可負(fù)擔(dān)性、易使用性、土地使用的變化和生態(tài)完整性。

材料、結(jié)構(gòu)、電池和充電策略水平的協(xié)同改進(jìn)對(duì)于使電池?cái)[脫權(quán)衡取舍是至關(guān)重要的。

附原文鏈接

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2590332222000975