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发展10分钟极速充电技术是实现车辆电动化转型可持续发展的重要途径

北京理工大学深圳汽车研究院先进电池结构创新研究部杨晓光教授、美国普渡大学Partha Mukherjee教授团队以及宾州州立大学王朝阳院士在Cell子刊One Earth上共同发表评论性文章，论述了车辆全面电动化转型所面临的电池成本、原材料可持续性、电池制造中碳排放等关键挑战，提出发展10分钟极速充电技术同时搭配中小型电池包是解决上述挑战、实现电动化转型可持续性发展的关键技术路线。



01 电动汽车大规模普及面临挑战
电池成本、原材料可持续性和碳排放

随着电池技术的进步以及日益严苛的碳排放政策的驱动，全球已进入车辆电动化转型加速发展期，电动汽车年销量已从2019年的210万辆增长至2021年的560万辆。

尽管如此，2021年全球电动汽车销量仍仅占新车销量的7%，尤其在高碳排放的重型车辆领域电动车辆的渗透率仍不足1%。由此可见，实现车辆全面电动化仍然还有很长一段路要走。

里程焦虑是公认的制约电动汽车推广的关键难题，最常见的解决方法是增大电池包容量，比如采用>80kWh的电池包以提供~500km续航，部分车企甚至宣布将推出150kWh电池、续航达1000km的产品。

然而，单纯依靠增大电池容量消除里程焦虑的方法面临几大重要挑战。首先，高容量电池增加了电池原材料的消耗以及电池成本。近两年来，电动汽车销量的猛增以及疫情引起的供应链紧张导致电池原材料价格飙升：仅2021年，碳酸锂价格就增长了5倍，钴的价格也增长了2倍。

随着未来电动汽车销量的指数型增长，电池原材料尤其是紧缺金属资源的可持续供应以及其带来的矿山过度开采、环境污染等问题将成为全面电动化转型亟需解决的重要问题。同时，电池成本增加将影响电动汽车的渗透率，这点对于二三线城市特别是下沉市场尤为重要。此外，电池生产过程中的碳排放同样值得重视。

据统计，每kWh电池生产过程约排放175kg二氧化碳；假设至2030年全球电动汽车销量达4000万辆，若车均电池容量为80kWh，2030年单纯由动力电池生产带来的碳排放就可达到0.56G吨；作为对比，去年全球交通领域的碳排放总量为7.2G吨。可见，单纯依靠增大电池容量来消除里程焦虑的方法困难重重，难以应对未来电动汽车大规模普及所带来的可持续性发展的挑战。

02 电动化转型可持续性发展的关键技术路线
10分钟极速充电搭配中小型电池

鉴于上述背景和挑战，杨晓光教授和王朝阳院士提出大力发展极速充电技术同时结合中小型(40-55kWh)电池包的技术路线。极速充电是指通过高功率(250-350kW)充电实现10分钟补能到~80%，这可消除远距离出行的里程焦虑。

同时，采用中小型电池包可提供250-350km的续航里程，满足日常通勤需求，并且可以显著降低电池成本、原材料消耗以及电池生产中的碳排放量。

文中以盐湖城至丹佛的525英里远途出行为例，对比了三种电池方案：105kWh（续航里程350英里）、75kWh（续航250英里）和45kWh（续航150英里）。

假设汽车以65英里/小时匀速行驶且从起点满电量100%SOC出发，行驶至剩余10%SOC时停车充电。每两次停车充电之间的距离ΔL=Ebat*ΔSOC/Ec，其中Ebat为电池包能量，Ec为能耗(0.3kWh/mile)。

每两次停车之间行驶的时间则用距离ΔL除汽车行驶速度。充电过程假设电池均由10%SOC充电至80%SOC，则充电时间tchar=0.7Ebat/Pchar,其中Pchar为充电功率，如下图所示。



计算结果显示，虽然45kWh电池包在行驶中需要经过四次充电，但总消耗时间与搭载另外两种电池包的汽车行驶所消耗的时间非常相近，同时仅比燃油车多消耗27分钟。

可见，极速充电可以消除中小型电池包远距离出行时的里程焦虑；同时，中小型电池包可以降低电池成本、原材料消耗和电池生产的碳排放，为未来电动汽车市场提供了一条可持续性发展的关键技术路线。

03 动力电池快充所面临的挑战
活性和稳定性的矛盾

上述技术路线的实施需要从两方面努力：

1）建设有足够多的公共快充桩；
2）电池具备快速充电能力。

针对公共快充桩，文中着重提出了两个关键指标：每100公里（或100英里）分布的公共快充桩数量、每个快充桩支持充电汽车的数量。

前者保证了在生活区域内有快充桩可用，后者影响电动汽车车主在充电桩的排队等待时间。

目前世界各国都在积极部署大功率充电桩，截止至2021年，欧盟已实现每100公里分布有5个公共快速充电桩，每个充电站点平均支持7.5辆电动汽车同时充电。特斯拉超充网络已覆盖超99%的美国人口，并在快速扩大中。尽管如此，面对未来指数型增长的电动汽车市场，还需要更多、更可靠的充电基础设施。

当前，动力电池的充电能力仍是制约电动汽车充电速度的瓶颈。下图总结了当前主流电动车所能承受的最大充电功率及相应电池充电倍率随SOC的变化曲线。



图例上的数字代表每款电动汽车在10-80%电量区间充电的平均功率和平均速率。
可以看到，尽管特斯拉新一代超充桩已是250kW功率，欧美更是积极布局>350kW超充桩，但目前动力电池所能承受的功率非常有限，仅在低SOC下能够达到最大充电功率，当前主流电动汽车在10-80%电量区间的平均充电功率仅为100-150kW，对应的电池充电倍率为1-2C，远远低于极速充电所追求的6C充电的目标。其根本原因在于高功率充电容易诱发电池析锂，导致电池寿命骤降并可能造成严重的安全事故。
文中强调，电池快速充电必须同时满足三项指标：充电时间、电池所获比能量（增加的续航里程）、电池循环寿命，三者缺一不可。然而，三者的结合使得目前绝大多数电池快充方法都无法满足要求。

例如，通过大功率充电至30%SOC的闪充方法无法获得足够的能量以消除里程焦虑，常用的采用超薄电极以消除快充析锂的方法同样会导致比能量下降；此外，低循环寿命的快充对实际应用没有意义，会引起电池提前退役进而造成资源浪费。

另外，由于动力电池存在活性和稳定性的矛盾，传统采用高活性材料提升电池快充能力的办法通常以牺牲电池寿命和安全性为代价。即便是下一代固态电池，在离子输运、电化学-力学作用机制、固-固界面稳定性上同样受到限制。

04 热调控极速充电技术
材料、电芯结构和电池管理策略的协同设计与优化

热调控充电是解决上述活性和稳定性矛盾的极具前途的技术路线。孙逢春院士团队的杨晓光教授此前在王朝阳院士指导下研发了一种热调控极速充电技术（下图）。



通过一种新颖的自加热结构将电池快速加热至高温(~60oC)充电以消除析锂，通过限制电池在高温的工作时间以控制电池材料的衰减，实现了10分钟充入168Wh/kg比能量且循环寿命高达2500次的优异结果。

目前，热调控充电的技术路线已被业界接受并逐渐成为快充技术的主流发展方向，例如，特斯拉新一代快充技术中已通过在途预热方式将电池加热至45-55oC充电，但过慢的加热速度将是限制其充电速度及寿命的关键因素。

文中指出，未来的电池快充技术发展需要加强多层级的协同，即通过材料、电芯结构和电池管理策略的协同设计与优化以进一步提高电池的能量密度、充电速率与循环寿命。

综上，大力发展动力电池极速充电技术，通过10分钟快速补能与中小型电池包的有机结合，是实现车辆全面电动化转型的关键。为此，需要加强快速充电设施的建设，满足技术和可持续性发展的需求，同时未来的电池快充技术需要加强多层级的协同以满足充电速率、能量密度与循环寿命三项快充指标，最终实现电动化转型可持续性发展。

信息来源：北京理工大学深圳汽车研究院
2022.10.24