實現(xiàn)電動化轉(zhuǎn)型可持續(xù)性發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)路線

北京理工大學(xué)深圳汽車研究院先進電池結(jié)構(gòu)創(chuàng)新研究部楊曉光教授、美國普渡大學(xué)Partha Mukherjee教授團隊以及賓州州立大學(xué)王朝陽院士在Cell子刊One Earth上共同發(fā)表評論性文章，論述了車輛全面電動化轉(zhuǎn)型所面臨的電池成本、原材料可持續(xù)性、電池制造中碳排放等關(guān)鍵挑戰(zhàn)，提出發(fā)展10分鐘極速充電技術(shù)同時搭配中小型電池包是解決上述挑戰(zhàn)、實現(xiàn)電動化轉(zhuǎn)型可持續(xù)性發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)路線。

01 電動汽車大規(guī)模普及面臨挑戰(zhàn) 電池成本、原材料可持續(xù)性和碳排放

隨著電池技術(shù)的進步以及日益嚴(yán)苛的碳排放政策的驅(qū)動，全球已進入車輛電動化轉(zhuǎn)型加速發(fā)展期，電動汽車年銷量已從2019年的210萬輛增長至2021年的560萬輛。

盡管如此，2021年全球電動汽車銷量仍僅占新車銷量的7%，尤其在高碳排放的重型車輛領(lǐng)域電動車輛的滲透率仍不足1%。由此可見，實現(xiàn)車輛全面電動化仍然還有很長一段路要走。

里程焦慮是公認(rèn)的制約電動汽車推廣的關(guān)鍵難題，最常見的解決方法是增大電池包容量，比如采用》80kWh的電池包以提供~500km續(xù)航，部分車企甚至宣布將推出150kWh電池、續(xù)航達(dá)1000km的產(chǎn)品。

然而，單純依靠增大電池容量消除里程焦慮的方法面臨幾大重要挑戰(zhàn)。首先，高容量電池增加了電池原材料的消耗以及電池成本。近兩年來，電動汽車銷量的猛增以及疫情引起的供應(yīng)鏈緊張導(dǎo)致電池原材料價格飆升：僅2021年，碳酸鋰價格就增長了5倍，鈷的價格也增長了2倍。

隨著未來電動汽車銷量的指數(shù)型增長，電池原材料尤其是緊缺金屬資源的可持續(xù)供應(yīng)以及其帶來的礦山過度開采、環(huán)境污染等問題將成為全面電動化轉(zhuǎn)型亟需解決的重要問題。同時，電池成本增加將影響電動汽車的滲透率，這點對于二三線城市特別是下沉市場尤為重要。此外，電池生產(chǎn)過程中的碳排放同樣值得重視。

據(jù)統(tǒng)計，每kWh電池生產(chǎn)過程約排放175kg二氧化碳；假設(shè)至2030年全球電動汽車銷量達(dá)4000萬輛，若車均電池容量為80kWh，2030年單純由動力電池生產(chǎn)帶來的碳排放就可達(dá)到0.56G噸；作為對比，去年全球交通領(lǐng)域的碳排放總量為7.2G噸?？梢姡瑔渭円揽吭龃箅姵厝萘縼硐锍探箲]的方法困難重重，難以應(yīng)對未來電動汽車大規(guī)模普及所帶來的可持續(xù)性發(fā)展的挑戰(zhàn)。

02 電動化轉(zhuǎn)型可持續(xù)性發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)路線 10分鐘極速充電搭配中小型電池

鑒于上述背景和挑戰(zhàn)，楊曉光教授和王朝陽院士提出大力發(fā)展極速充電技術(shù)同時結(jié)合中小型（40-55kWh）電池包的技術(shù)路線。極速充電是指通過高功率（250-350kW）充電實現(xiàn)10分鐘補能到~80%，這可消除遠(yuǎn)距離出行的里程焦慮。

同時，采用中小型電池包可提供250-350km的續(xù)航里程，滿足日常通勤需求，并且可以顯著降低電池成本、原材料消耗以及電池生產(chǎn)中的碳排放量。

文中以鹽湖城至丹佛的525英里遠(yuǎn)途出行為例，對比了三種電池方案：105kWh（續(xù)航里程350英里）、75kWh（續(xù)航250英里）和45kWh（續(xù)航150英里）。

假設(shè)汽車以65英里/小時勻速行駛且從起點滿電量100%SOC出發(fā)，行駛至剩余10%SOC時停車充電。每兩次停車充電之間的距離ΔL=Ebat*ΔSOC/Ec，其中Ebat為電池包能量，Ec為能耗（0.3kWh/mile）。

每兩次停車之間行駛的時間則用距離ΔL除汽車行駛速度。充電過程假設(shè)電池均由10%SOC充電至80%SOC，則充電時間tchar=0.7Ebat/Pchar，其中Pchar為充電功率，如下圖所示。

計算結(jié)果顯示，雖然45kWh電池包在行駛中需要經(jīng)過四次充電，但總消耗時間與搭載另外兩種電池包的汽車行駛所消耗的時間非常相近，同時僅比燃油車多消耗27分鐘。可見，極速充電可以消除中小型電池包遠(yuǎn)距離出行時的里程焦慮；同時，中小型電池包可以降低電池成本、原材料消耗和電池生產(chǎn)的碳排放，為未來電動汽車市場提供了一條可持續(xù)性發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)路線。

03 動力電池快充所面臨的挑戰(zhàn) 活性和穩(wěn)定性的矛盾

上述技術(shù)路線的實施需要從兩方面努力：

1）建設(shè)有足夠多的公共快充樁；

2）電池具備快速充電能力。

針對公共快充樁，文中著重提出了兩個關(guān)鍵指標(biāo)：每100公里（或100英里）分布的公共快充樁數(shù)量、每個快充樁支持充電汽車的數(shù)量。前者保證了在生活區(qū)域內(nèi)有快充樁可用，后者影響電動汽車車主在充電樁的排隊等待時間。

目前世界各國都在積極部署大功率充電樁，截止至2021年，歐盟已實現(xiàn)每100公里分布有5個公共快速充電樁，每個充電站點平均支持7.5輛電動汽車同時充電。特斯拉超充網(wǎng)絡(luò)已覆蓋超99%的美國人口，并在快速擴大中。盡管如此，面對未來指數(shù)型增長的電動汽車市場，還需要更多、更可靠的充電基礎(chǔ)設(shè)施。

當(dāng)前，動力電池的充電能力仍是制約電動汽車充電速度的瓶頸。下圖總結(jié)了當(dāng)前主流電動車所能承受的最大充電功率及相應(yīng)電池充電倍率隨SOC的變化曲線。

圖例上的數(shù)字代表每款電動汽車在10-80%電量區(qū)間充電的平均功率和平均速率。 可以看到，盡管特斯拉新一代超充樁已是250kW功率，歐美更是積極布局》350kW超充樁，但目前動力電池所能承受的功率非常有限，僅在低SOC下能夠達(dá)到最大充電功率，當(dāng)前主流電動汽車在10-80%電量區(qū)間的平均充電功率僅為100-150kW，對應(yīng)的電池充電倍率為1-2C，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于極速充電所追求的6C充電的目標(biāo)。其根本原因在于高功率充電容易誘發(fā)電池析鋰，導(dǎo)致電池壽命驟降并可能造成嚴(yán)重的安全事故。

文中強調(diào)，電池快速充電必須同時滿足三項指標(biāo)：充電時間、電池所獲比能量（增加的續(xù)航里程）、電池循環(huán)壽命，三者缺一不可。然而，三者的結(jié)合使得目前絕大多數(shù)電池快充方法都無法滿足要求。

例如，通過大功率充電至30%SOC的閃充方法無法獲得足夠的能量以消除里程焦慮，常用的采用超薄電極以消除快充析鋰的方法同樣會導(dǎo)致比能量下降；此外，低循環(huán)壽命的快充對實際應(yīng)用沒有意義，會引起電池提前退役進而造成資源浪費。

另外，由于動力電池存在活性和穩(wěn)定性的矛盾，傳統(tǒng)采用高活性材料提升電池快充能力的辦法通常以犧牲電池壽命和安全性為代價。即便是下一代固態(tài)電池，在離子輸運、電化學(xué)-力學(xué)作用機制、固-固界面穩(wěn)定性上同樣受到限制。

04 熱調(diào)控極速充電技術(shù) 材料、電芯結(jié)構(gòu)和電池管理策略的協(xié)同設(shè)計與優(yōu)化

熱調(diào)控充電是解決上述活性和穩(wěn)定性矛盾的極具前途的技術(shù)路線。孫逢春院士團隊的楊曉光教授此前在王朝陽院士指導(dǎo)下研發(fā)了一種熱調(diào)控極速充電技術(shù)（下圖）。

通過一種新穎的自加熱結(jié)構(gòu)將電池快速加熱至高溫（~60oC）充電以消除析鋰，通過限制電池在高溫的工作時間以控制電池材料的衰減，實現(xiàn)了10分鐘充入168Wh/kg比能量且循環(huán)壽命高達(dá)2500次的優(yōu)異結(jié)果。

目前，熱調(diào)控充電的技術(shù)路線已被業(yè)界接受并逐漸成為快充技術(shù)的主流發(fā)展方向，例如，特斯拉新一代快充技術(shù)中已通過在途預(yù)熱方式將電池加熱至45-55oC充電，但過慢的加熱速度將是限制其充電速度及壽命的關(guān)鍵因素。

文中指出，未來的電池快充技術(shù)發(fā)展需要加強多層級的協(xié)同，即通過材料、電芯結(jié)構(gòu)和電池管理策略的協(xié)同設(shè)計與優(yōu)化以進一步提高電池的能量密度、充電速率與循環(huán)壽命。

綜上，大力發(fā)展動力電池極速充電技術(shù)，通過10分鐘快速補能與中小型電池包的有機結(jié)合，是實現(xiàn)車輛全面電動化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵。為此，需要加強快速充電設(shè)施的建設(shè)，滿足技術(shù)和可持續(xù)性發(fā)展的需求，同時未來的電池快充技術(shù)需要加強多層級的協(xié)同以滿足充電速率、能量密度與循環(huán)壽命三項快充指標(biāo)，最終實現(xiàn)電動化轉(zhuǎn)型可持續(xù)性發(fā)展。

審核編輯 ：李倩