快充技术也许是实现车辆全面电动化的关键

2022-03-23 18:12

维科网锂电在3月5日的文章“锂离子电池快充问题，这篇文章总结全了！”中提到快充原理、电池衰退的影响、多尺度设计实现快充、快充充电策略、热管理、过充引发的热失控以及防止过充等。

当前，全球车辆趋于向电动化发展，以及国家“碳达峰、碳中和”政策的目标下，无论是国际上，还是中国本土，车辆电动化已经进入快速发展阶段。

得益于电池技术的不断突破，材料方面：三元高镍，硅碳负极，高压电解液等的开发利用，使得电芯的能量密度在缓慢的突破；结构方面，比亚迪的刀片电池，蜂巢的短刀片电池，宁德时代的CTP、CTC等技术的应用，使得电池包能够在单位体积内有更大能量的释放。这些似乎让里程焦虑有些许缓解。而在电性能方面，与续航里程同样至关重要的那便是快充问题。

北京理工大学电动车辆国家工程研究中心杨晓光教授，宾州州立大学王朝阳院士等人在Cell子刊One Earth上发表了评论性文章“Advancements in extreme fast charging to foster sustainable electrification”（直译：极快充电技术的进步促进了可持续电气化）。文章指出：车辆全面电动化转型面临着包括：成本、原材料、碳排放等可持续性挑战。作者认为极速充电技术，同时搭配中小型电池包是解决以上挑战、实现全面电动化转型的关键技术路线。

图片来源：One Earth官网

越来越多的国家开始逐渐禁止销售内燃机汽车，过去几年见证电动汽车了前所未有的市场渗透率。即使在新冠疫情下，全球电动汽车年销量也从2019年的210万辆增长到2021年的560 万辆，翻了一番还多。尽管如此，电动汽车仍仅占汽车年销量的7%。要完全实现电动化出行，还有很长的路要走。

小编在文章开始就提到的里程焦虑问题，在论文的第一部分也同样提到了，这里不再赘述。

快充带来的可持续发展潜力

快充其实是消除里程焦虑的另一种有效方法。据统计，即使快充的使用频率不高，利用快速充电站的司机也可以行驶更长的里程。全世界都在竞相建设快速充电站，美国和欧洲正在积极推动极速充电（XFC）技术的开发，通过>350 kW的充电器，充电10分钟即可增加200 英里的行驶里程。尽管车辆工程、充电基础设施和技术经济性是开发XFC的重要因素，但是电池本身仍然是电动汽车快速充电能力的限制因素。

充电功率、充电倍率与荷电状态的关系（图片来源：One Earth论文）

XFC可能是解决里程焦虑和电池组大小之间两难境地的解药。也就是说，一辆电动汽车可以用小电池块满足日常通勤需求，在长途旅行中可使用XFC来快速补充电量。

如下图所示，文中比较了使用不同电量电池包的电动汽车从盐湖城到丹佛的行驶时间。由图可知，虽然45 kWh电池的续航里程有限，在行程中需要四次充电，但总续航时间与其他两款大电量电动汽车非常相似，仅比传统ICE车多27分钟，这表明其在消除里程焦虑中的巨大潜力。此外，更小的电池意味着具有更低的成本、与材料相关的挑战更少、与制造相关的碳排放量更低。因此，XFC和小型电池搭配的战略符合可持续性发展的目标。

不同电量电池包所消耗时间的比较（图片来源：One Earth论文）

快充的劣势

虽然快充可以具有多种优点，但它还不完美。快充时锂电池面临的最关键挑战是：金属锂在快充时沉积在石墨表面，而不是嵌入石墨中。这会大大缩短电池寿命，并且在极端情况下会导致内部短路，从而导致爆炸燃烧等灾难性后果。

从根本上说，析锂过程本质上是三个物理化学过程相互竞争的结果：1. 电解质中的离子转移；2. 石墨-电解质界面处的反应；3. 石墨颗粒中的固相扩散。所以XFC技术需要在材料、结构和电芯层面进行协同改进，以应对与退化、安全和寿命相关的挑战。

热调控—快充的法宝

防止析锂的一种有效的方法是热调控。较低的温度会加剧析锂，而较高的温度会加速材料老化。通过数值分析，作者发现电池的最佳温度随着充电倍率和电池能量密度的增加而增加。最近，作者报道了一种非对称温度调控方法，该方法将电池快速加热至较高的温度（~60°C）进行充电，放电或储存则在低温环境中。温度的升高显着提高了传质和反应速率，消除了快充时的析锂。另外，短时间的高温并不会使材料快速老化。