論電動(dòng)汽車電池快充與慢充技術(shù) 到底誰更靠譜？
來源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-04-01 11:32
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近年來，在能源轉(zhuǎn)型、汽車產(chǎn)業(yè)彎道超車、減少化石能源依賴、治理環(huán)保的綜合考慮下，我國開始大力發(fā)展動(dòng)力電池和新能源汽車相關(guān)產(chǎn)業(yè)。國家在此方面投入了大量的人力物力財(cái)力，從科研支撐到汽車配套政策再到補(bǔ)貼優(yōu)惠都做足了文章。在這樣的大背景下，中國的動(dòng)力電池相關(guān)行業(yè)迅速發(fā)展，電動(dòng)汽車也開始讓大家熟悉起來。隨著對電動(dòng)汽車的了解的增多，人們開始對于電動(dòng)汽車有了越來越高的期待：期待它可以像汽油車一樣便宜，一樣加一次油/充一次電跑600公里，一樣一次加油/充電只需要幾分鐘等等……在這樣的期待下，科研界和工業(yè)界一直在努力向著這些方向努力。然而近幾年來，細(xì)心的朋友可能發(fā)現(xiàn)，類似的“幾分鐘充滿電”、“顛覆性”、“中東完了”的“大新聞”鋪天蓋地，但是真正算的上讓人耳目一新又真正改變或即將影響我們生活的實(shí)質(zhì)性進(jìn)展卻又沒那么多。在本文中，筆者將重點(diǎn)以快充(比如X分鐘充滿電)這一視角切入，分析快充相關(guān)技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀與問題，以及相關(guān)新聞炒作的由來，供大家更好地理解快充，也可以更好地理解動(dòng)力電池行業(yè)與新能源汽車行業(yè)。
什么是快充？大家為什么如此關(guān)注快充？
如果我們通俗的下定義，當(dāng)然就是給電動(dòng)汽車（的電池）用比較快的速率來充電。當(dāng)然在這里，多快算快充，多快不算之間恐怕就沒有那么明確的區(qū)分點(diǎn)了。但是對于一般的電池/電動(dòng)汽車來講，目前公認(rèn)的快充有Tesla的super charge，大約半小時(shí)可以充80%的電，以及其它幾種汽車，大概是2~3小時(shí)級(jí)。那么在這里，可以先粗略定義一下，對于電動(dòng)汽車來說，快充就是小時(shí)級(jí)左右時(shí)間能充滿電的制度。
而相對比，電動(dòng)汽車的慢充常常長達(dá)6小時(shí)以上，因此為了想要慢充，停車過夜慢慢充電常常是必須的選擇。而實(shí)際上，慢充電池也是具有電化學(xué)行業(yè)經(jīng)驗(yàn)的人常常建議大家做的事情：簡單說就是快充對于電池的質(zhì)量要求很高，而且大電流下電池的反應(yīng)條件過于苛刻劇烈，偏離平衡態(tài)較遠(yuǎn)，對于電池的壽命有較大的損失，安全系數(shù)會(huì)明顯下降，因此沒有必要的時(shí)候盡量少做。而慢充就可以很好的避免這些問題。
說到這里，筆者想加一句，其實(shí)對于手機(jī)電池，快充造成的影響基本也一樣，只不過區(qū)別在于，手機(jī)這樣的消費(fèi)電子品淘汰快，一個(gè)手機(jī)里的電池也只值十到幾十塊錢，壞了大不了換，對你沒什么大損失，所以手機(jī)電池用起來怎么開心怎么來就好了；而對于汽車，一輛汽車上的電池動(dòng)輒價(jià)值萬元，用壞了一會(huì)造成危險(xiǎn)，二會(huì)貶值，三會(huì)影響續(xù)航，所以對于電動(dòng)汽車的電池，真的應(yīng)該認(rèn)真使用，因?yàn)楹褪謾C(jī)完全不在一個(gè)量級(jí)上。
然而社會(huì)上的大多數(shù)人畢竟不是電化學(xué)專業(yè)出身，很多人對于汽車、電化學(xué)、電網(wǎng)相關(guān)的基本信息了解甚少。在對電動(dòng)汽車的期待、電池的一些進(jìn)展容易被外行曲解、資本方希望熱炒動(dòng)力電池新能源題材等諸多因素交織下，快速充電方面形成了一個(gè)又一個(gè)的大新聞。接下來，筆者將對這幾個(gè)因素進(jìn)行分析，指明這些新聞產(chǎn)生的原因。
很簡單，因?yàn)槟芰棵芏仍诂F(xiàn)有的電化學(xué)體系下，都是有理論上限值的，我們能做的就是不斷逼近極限，而不可能超過，這是科學(xué)和自然規(guī)律。比如現(xiàn)在的NCA18650電池大概是220WH/kg基本就是接近極限的數(shù)據(jù)。想再提高？有些難，可能換材料體系，比如負(fù)極用硅是一個(gè)更好的選擇。然而功率密度就不一樣了，如果你把能量密度犧牲一些，功率密度自然可以有所提高，而如果無限制的把材料納米化，導(dǎo)電劑多加，做的材料夠小夠少，功率密度自然很容易再創(chuàng)新高，這就是我們看到的諸多納米材料性能突破的新聞的由來，但是這很多是靠犧牲其它性能得來的，新聞里往往報(bào)喜不報(bào)憂。當(dāng)然了，如果把這些材料落實(shí)到量產(chǎn)的電池上，要是真的只是考慮功率密度一個(gè)特性而不過多的強(qiáng)調(diào)其它性能，那這類電池做出來其實(shí)并沒有大家想像的困難：以最近的一款新上市的某快充型充電寶為例，此電池自始至終都沒說自己一節(jié)電池容量是多少，能量密度是多少Wh/kg，只是一直在強(qiáng)調(diào)自己可以快充充滿——的確，如果自己把能量密度都犧牲了用來達(dá)到功率密度的提升，當(dāng)然可以很快充滿了，這算不上什么技術(shù)上的大進(jìn)步。
但是，如果能把功率和能量密度做一個(gè)盡量的平衡，那得到的電池就很厲害了，日韓很多廠家的高功率動(dòng)力電池都具有這樣的特性，產(chǎn)品競爭力很強(qiáng)，很多都可以在分鐘級(jí)充放完全，能量密度、成本和安全控制也比較好，這才是我們真正要小心的對手。
某外國廠商的高功率電池性能出色
在這里要補(bǔ)充一句，電池都可以快充，只是一般情況下為了安全等綜合因素，大多數(shù)的手機(jī)，汽車對于充電電流都做了嚴(yán)格的限定，用電池管理系統(tǒng)BMS做了保護(hù)。所以大家不要看見了快充的新聞就興奮，他們只是把你見的電池?fù)赋鰜韱为?dú)用快速充電充了一下給你看而已。當(dāng)然了，可能他們電池做的不錯(cuò)，但是還有更多的因素需要關(guān)注，比如能量，比如成本。而且真正落實(shí)在工業(yè)中的快充技術(shù)，遠(yuǎn)不是做個(gè)充電寶，說自己幾分鐘充滿就大功告成了，需要克服的困難還多著呢。
為了快充的大新聞，科研、工業(yè)界以及新聞界的路數(shù)？
剛才說了，能量密度是有理論上限的，超了這個(gè)上限基本相當(dāng)于你當(dāng)造物主重新創(chuàng)了一個(gè)世界，這事一聽就不靠譜。既然想把能量密度踏實(shí)做上去是比較難的，那么大家更多地選擇了去突破功率密度。一來功率密度算是沒有理論上限的（其實(shí)也不完全見得），二是功率密度做好了很容易就演變成X分鐘X秒鐘充滿電的大新聞，再加上鋰電表兄弟超級(jí)電容的摻和（這個(gè)本來就是只為了快充放而生的，能量密度特別低，用它全裝車走不了多遠(yuǎn)就要一充，希望大家明白），很容易炒出一片欣欣向榮的革命形式一片大好的一顆賽艇的景象。
科研新聞中常見的快充新聞路數(shù)有：1）做成納米材料-高比表面積，擴(kuò)散距離短，反應(yīng)動(dòng)力學(xué)快。2）做一個(gè)薄電極，多用導(dǎo)電劑，這樣可以最大化功率輸出。3）實(shí)驗(yàn)室做出一個(gè)0.1g的樣品，計(jì)算一下可以7秒充滿，OK，算一下能量密度，如果折合成電動(dòng)汽車X度電的電池可以支持跑35公里，OK，寫一個(gè)新聞。接下來進(jìn)行一下相應(yīng)的點(diǎn)評。
納米材料-高比表面積路線，這個(gè)路數(shù)對于科研自然沒問題，可惜的是對于現(xiàn)在的鋰電池工業(yè)的實(shí)際要求基本無異與背道而馳?，F(xiàn)在的鋰電工業(yè)要求材料最好不要太細(xì)（磷酸鐵鋰稍有例外但是大原則也一樣），微米級(jí)材料比納米材料更受歡迎，因?yàn)槠浔缺砻娣e小，副反應(yīng)少，漿料易于準(zhǔn)備，電池的安全性壽命都要好一些，所以其實(shí)納米材料在電池工業(yè)界中一直是一個(gè)爭議較大的話題。而做薄電極，多用電導(dǎo)劑，通過犧牲能量密度的方法，自然把功率密度提上來了，基本思路就是想一白遮百丑——其實(shí)這種新聞，你只要追問他，你沒報(bào)的那幾個(gè)性能倒底如何，基本該技術(shù)含金量如何也就出來了。而至于那種實(shí)驗(yàn)室做個(gè)小樣，乘以多少倍直接推出電動(dòng)車可以跑35公里的人，筆者只能無奈的表示：你沒在工廠值過班，沒上過中試線，沒做過工業(yè)，沒有基本的工業(yè)素養(yǎng)，不懂得中國制造是怎么流血流汗地做成世界工廠的，只能說：TOO SIMPLE， SOMETIMES NAIVE.
說到這里，筆者想起自己和某廠家進(jìn)行面對面交流，對方在加入某添加劑后，電池的功率性能上升，但是能量密度，不論是體積的還是質(zhì)量的都下降了近10%，結(jié)果我就追問：是不是添加劑讓功率性能上升的同時(shí)導(dǎo)致了能量密度的下降？對方忙忙辯解說這其實(shí)是兩個(gè)電池，不是一回事。后來也就沒有硬要讓他們回答，因?yàn)橐呀?jīng)比較明顯了。
此外，使用納米材料做高功率電池還有一個(gè)大問題，就是納米材料比表面積大，大多相應(yīng)的體積密度也低，會(huì)帶來體積能量密度降低——有時(shí)甚至能直接導(dǎo)致體積功率密度也變得很不理想。要知道我們用的很多電池不只要求輕，還要要求小。此時(shí)光說質(zhì)量相關(guān)的參數(shù)，不說體積方面的內(nèi)容，無異于——耍-流-氓。
筆者在這里批評納米材料，不是說這種材料的科研沒有意義。實(shí)際上，人類科研中的大部分成果可能99%都會(huì)進(jìn)入圖書館，只有很少的1%會(huì)形成真正的轉(zhuǎn)化，推動(dòng)社會(huì)的進(jìn)步。但是你不能說這99%就沒有意義，它對于人們豐富和深化對世界的理解，訓(xùn)練人才是很有意義的，但是——如果只是科研上的進(jìn)步，尤其是明知其對于工業(yè)的影響促進(jìn)作用有限，還非要迎合一些別有用心的資本、利益集團(tuán)的企圖來無限夸大自己研究的意義的話，就是他們的不對了。
此處還要再插一嘴，在快充的大新聞方面，眾多缺乏基本物理常識(shí)的記者寫出的各種奇葩新聞稿也是一大關(guān)鍵貢獻(xiàn)力量。然而表面上是如此，實(shí)際上是不是有無數(shù)炒作的資本在此后動(dòng)作，通過鼓動(dòng)授意記者寫稿來達(dá)到宣傳某些快充技術(shù)，以達(dá)到炒高股價(jià)，維系利益的目的，就是一個(gè)值得思考的有趣問題了。
快充，只是材料和電池人的工作嗎？
快充的電池，首先要做材料，然后要做成電池，最后要用還要落實(shí)到電動(dòng)汽車的電池組，以及電網(wǎng)中的儲(chǔ)能電站中。那么想要成功應(yīng)用這些技術(shù)，就要一個(gè)個(gè)環(huán)節(jié)來看。
剛才的一部分說了，做電池，如果只是實(shí)驗(yàn)室做一個(gè)小樣，薄薄一層，自然很容易。但是如果想做成一個(gè)幾AH的軟包或者18650電池，需要考慮的因素就已經(jīng)是多方面的了：材料的成本，比表面積，能量密度，功率密度等等，做電池需要幾十道工序，每一道都要嚴(yán)格控制條件工藝，才能做出質(zhì)量上乘的產(chǎn)品，這也是日韓電池領(lǐng)先于我們的主要原因——管理控制更為嚴(yán)格規(guī)范。
