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从高功率快充看动力电池性能提升

2020-01-02

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高工锂电网

充电速度作为动力电池的核心性能指标，对于电动汽车的使用体验起着至关重要的作用。

聚焦于此，头部动力电池企业都在该领域持续投入。以宁德时代最新推出的快充技术为例，15分钟即可将电池荷电状态（SOC）从8%增加到80%。

图1 宁德时代的快充技术

有业内人士表示，宁德时代发布的快充技术跟高功率直流充电密切相关。

高功率充电，一般指充电桩提供超过150KW，对动力电池进行大电流充电。

高功率充电的好处是充电桩使用的频率提高，其服务能力得到扩张，消费者满意度提升，盈利也能得到改善。

同时还可以实现400V大电流或800V小电流充电，大幅降低新能源汽车的续航里程焦虑。

图2不同电压下充电桩的电流输出

对于高功率充电的技术难度，据高工锂电了解，主要集中在动力电池。

缘由是对充电桩而言，输出高电压和高电流的技术难度远比电池化学性能提升要容易的多。

从动力电池的层面看高功率充电，主要取决于电芯析锂窗口和热管理。

析锂是锂离子沉积，择优取向生长出枝晶，容易刺穿隔膜，导致电芯内短路。热管理则是充电电流大，电池有内阻，产生大量的热，温度升高，需进行管控。

图3 锂枝晶刺穿隔膜

从现在的高功率充电模式看，一般是先恒流大电流，再恒压小电流充电。一方面电池本身存在一个极限电流，一旦超过，就容易出现快充，内短路，热失控等现象。

另一方面电池相当于电容器串联电阻，这个电阻主要是物理电阻。

物理电阻只有几毫欧姆，若电压稍微增加几伏特，按照电路原理，电流会增加几百安倍。这时过大的电流会击穿电容器，让电池失去存储电量的能力。

高功率充电的过程，打个比方，就像用水糊面。刚开始恒流充电，就相当于在面中注水。

最初，由于面粉结构较松散，与水的接触的表面积大，容易混匀。随着注入水越多，搅拌越困难，开始呈粘稠状，这时要混匀就难得多了。

显然再加水，就相当于继续充电，属于过充。这时电池内部的正负极电化学反应会受到比较大的破坏，引发安全性风险。

就国内来看，做高功率快充的电池企业主要有宁德时代、比亚迪、天津力神、微宏动力和银隆新能源等企业。

其中产品性能普遍达到1C——2C的企业有宁德时代、比亚迪和天津力神，达到2C以上的主要是微宏动力和银隆新能源，其余企业大多在0.2C——1C之间。

另外，高工锂电从资深业内人士获悉，国内高功率快充能做到10C以上，换而言之是不到6分钟就充满。但这种动力电池，能量密度可能会低一点，安全性风险高一点。

从制造上考虑，在新能源汽车装载电池包的空间限定条件下，要想实现更高的功率快充，至少要加快锂离子的迁移速率和反应嵌入数量。

解决方式，一般从电池材料体系和材料工艺两方面进行。

材料体系方面，比如负极使用硅碳复配石墨、正极高镍多掺钴元素等方式来提升高功率快充能力。

关于高镍三元正极，镍决定着能量密度，钴影响快充能力，锰或铝元素起稳定平衡作用。在一定程度上，钴含量越高，快充能力就越强，但能量密度相对低一些。

图4 三元材料中钴不同比例的能量密度

材料工艺上，常用的是碳化学包覆、电化学腐蚀，石墨改性，材料纳米化等方式增加锂离子迁移时的接触表面积，多存储和捕获锂离子。也有用更高性能的隔膜，加速锂离子从正极迁出，经电解液通过隔膜的速率。

其中对电池而言，高功率快充跟高能量密度往往是“矛盾”关系。原因是要快充就需要锂离子迁移的正负极比表面积大，再加上电极本身受尺寸限制，涂层厚度不能太厚，就只能缩减电池能量密度。

另外快充和高能量密度都容易增加副反应，出现析锂沉积，从而缩减循环使用寿命，甚至引发安全隐患。

所以电池性能提升要在高功率快充和高能量密度之间寻找平衡，有侧重点进行选择。不能简单粗暴的通过高功率充电来实现快充。