快充技術(shù)對(duì)于鋰電池有哪些重要性 - 全文

　　鋰電池分為正極和負(fù)極兩個(gè)材料。我們經(jīng)常說(shuō)的磷酸鐵鋰、三元材料這些其實(shí)指的是鋰電池的正極。現(xiàn)在在全世界有成千上萬(wàn)的實(shí)驗(yàn)室都在試圖開(kāi)發(fā)性能更好的鋰電池，其實(shí)大家無(wú)非是想在金屬氧化物中尋找一種性能更好的、容量更高、壽命更長(zhǎng)，或者是充放電的功率更好的一些正極材料，或者是在負(fù)極上下功夫。我們通常用的比較多的鋰電池的負(fù)極材料是石墨，但是最近這些年也出現(xiàn)了一個(gè)新的負(fù)極材料，就是鈦酸鋰。

　　這張圖只是一個(gè)引子。那么快充的核心是什么？

　　在鋰離子電池放電的時(shí)候，這個(gè)鋰離子是從負(fù)極材料里跑出來(lái)，然后跑到正極去，這個(gè)過(guò)程其實(shí)相對(duì)來(lái)說(shuō)比較容易實(shí)現(xiàn)，也就是說(shuō)鋰電池的放電功率可以做得很大。

　　但是傳統(tǒng)來(lái)說(shuō)，充電就不這么容易了，充電的時(shí)候鋰離子要從正極材料里跑出來(lái)，跑到負(fù)極材料里面去，這個(gè)過(guò)程相對(duì)來(lái)說(shuō)比較考驗(yàn)負(fù)極材料，因?yàn)殇囯x子要快速進(jìn)入負(fù)極材料，那這時(shí)候?qū)ω?fù)極材料的結(jié)構(gòu)等問(wèn)題都會(huì)造成破壞，所以通常來(lái)說(shuō)，鋰離子電池在快速充電方面表現(xiàn)的性能是不行的。

　　但是快充卻是一個(gè)很多人夢(mèng)寐以求的特征，以往只有超級(jí)電容才能表現(xiàn)出來(lái)快充，所以要克服鋰電池不能快充的特點(diǎn)，我們要從材料的角度去入手，想辦法去提升材料特別是負(fù)極材料在充電時(shí)的性能，這就是在材料或化學(xué)基礎(chǔ)上要做的工作。

　　一、電動(dòng)公交車的商業(yè)困境

　　那為什么要特別強(qiáng)調(diào)快充這個(gè)特征，我想先從電動(dòng)車的應(yīng)用端來(lái)說(shuō)起。第一個(gè)在我們國(guó)家推廣這個(gè)新能源車的時(shí)候，政府最容易推動(dòng)的市場(chǎng)是電動(dòng)公交車，純公交車從奧運(yùn)會(huì)開(kāi)始到世博會(huì)到現(xiàn)在大概有六七年時(shí)間了吧，在很多城市都有應(yīng)用?？匆唤M簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)，這個(gè)PPT就講到了電動(dòng)公交車在商業(yè)應(yīng)用中遇到的困境。

　　以12米的純電動(dòng)大巴為例，公交車每天典型要跑250公里，它當(dāng)然是在A點(diǎn)和B點(diǎn)之間來(lái)回地跑，典型的電耗每公里0.8度電，這輛車如果白天跑一整天的話大概要消耗200千瓦時(shí)的電量，這個(gè)電量看起來(lái)不多，但是在配置電池的時(shí)候，要考慮兩個(gè)系數(shù)，第一個(gè)是電池充放電區(qū)間，電池壽命的衰減，這樣的話要配置 312個(gè)千瓦時(shí)的電量，再加上夏天開(kāi)空調(diào)的耗能，這樣一來(lái)，這個(gè)電池就要裝到500千瓦時(shí)的電量才能夠滿足12米的大巴全天的運(yùn)營(yíng)。

　　實(shí)際上在現(xiàn)在鋰電池能量密度水平上，如果裝配磷酸鐵鋰，大概500千瓦時(shí)的電池可能要6噸重， 目前的成本至少要100萬(wàn)以上，這樣一個(gè)電池在12米在體積和重量上都裝不了， 所以這個(gè)方案大家都用不了。

　　通常的做法是裝差不多一半的電即三百千瓦時(shí)的電量，這就導(dǎo)致了這個(gè)車不能實(shí)現(xiàn)全天的運(yùn)營(yíng)，通常來(lái)說(shuō)在下午的時(shí)候，大巴車會(huì)回到充電站進(jìn)行一次被稱為快速補(bǔ)電的工作，這個(gè)時(shí)間通常會(huì)消耗一個(gè)小時(shí)到一個(gè)半小時(shí)，補(bǔ)充一部分電量，然后再完成下半段的運(yùn)營(yíng)。然而這個(gè)結(jié)果對(duì)公交公司而言降低了它的運(yùn)營(yíng)效果，因?yàn)樵诎滋斓臅r(shí)候有兩個(gè)小時(shí)不能運(yùn)行。

　　那么緊接著一個(gè)問(wèn)題就是，我們有沒(méi)有可能采用能量密度更高的電池來(lái)完成這項(xiàng)工作？目前已經(jīng)商業(yè)化的電池中間能量密度最高的是特斯拉用的松下18650的電芯，其電芯的能量密度達(dá)到了230瓦時(shí)每公斤，如果真的要裝五百度電的話，重量大概是3.5噸，它能夠滿足全天的運(yùn)營(yíng)，而且大巴車上也基本上能裝下，但是這個(gè)電池使用在公交大巴上面的一個(gè)問(wèn)題就是它的壽命，它重組之后的循環(huán)壽命可能只有五百次，所以我們預(yù)計(jì)它在公交上這樣使用的話每天充一次電大概只能用兩到三年。

　　所以我們看到在公交大巴上面使用能量型的電池試圖來(lái)解決全天運(yùn)營(yíng)的需求，實(shí)際面臨著很多工程上以及成本上的問(wèn)題，要么太重，要么太貴，要么壽命不夠好。

　　但我們還有另外一個(gè)思路，如果能反過(guò)來(lái)考慮這個(gè)問(wèn)題，我們不裝那么多的電池，而是把電池裝得更少，但是使用快速充電的方法。假如我們不需要跑250公里，只需要跑一圈，比如一輛公交車從A點(diǎn)到B點(diǎn)是二十公里，那我只需要裝跑二十公里的電池，然后每次到終點(diǎn)的時(shí)候都能夠在五分鐘或者十分鐘之內(nèi)把電充滿，然后跑下一趟，那么這個(gè)方案是否也是可行的呢？我們簡(jiǎn)單測(cè)算一下，如果我們用80千瓦時(shí)的電池或者用120千瓦時(shí)的電池，那么每天快充四次或者五次、六次，每次充電時(shí)間也控制得足夠短，利用司機(jī)到總站休息的時(shí)間。也就是說(shuō)如果我們通過(guò)少裝電池的方式，多次充電的方式也能滿足公交的運(yùn)營(yíng)，但是它對(duì)電池提出了一個(gè)挑戰(zhàn)，就是說(shuō)電池要能夠快速充電，那十分鐘左右就要把電充滿。另外，因?yàn)槊刻斓某潆姶螖?shù)會(huì)變多，比如說(shuō)每天從一次變成了三四次甚至五次，那么在快充條件下，要求電池的循環(huán)壽命也會(huì)比原來(lái)更長(zhǎng)。

　　二、電動(dòng)出租車的運(yùn)營(yíng)難題

　　上面是我們對(duì)于公交運(yùn)營(yíng)所設(shè)想的一種方式，就是通過(guò)每一趟或者兩趟快速充電來(lái)解決全天運(yùn)營(yíng)里程的問(wèn)題。

　　接下來(lái)我們將講到出租車，PPT中說(shuō)明了電動(dòng)出租車的需求，出租車的運(yùn)營(yíng)負(fù)荷要比公交車還要高。兩個(gè)司機(jī)24小時(shí)運(yùn)營(yíng)，那么全天的運(yùn)營(yíng)里程典型的是 500多公里，在壽命期內(nèi)通常是六年，它需要運(yùn)行大概一百萬(wàn)公里，這是我們講到出租車的特點(diǎn)。這個(gè)特點(diǎn)其實(shí)對(duì)于電池提出了更高的挑戰(zhàn)。相比一下電動(dòng)私家車的需求，電動(dòng)私家車通常我們只是上下班時(shí)間開(kāi)，每天可能開(kāi)50公里，偶爾在周末的時(shí)候有可能有一次長(zhǎng)距離的旅行比如說(shuō)三百公里，那通常來(lái)說(shuō)，我們?cè)谑甑臅r(shí)間里頭可能這輛車能跑20萬(wàn)公里，所以我們看到私家車和出租車，這兩種車輛的運(yùn)營(yíng)特點(diǎn)的差別非常大，進(jìn)一步說(shuō)，這兩種車輛對(duì)于電池的需求也是完全不同的。

　　在我們國(guó)家863科技計(jì)劃中間包括現(xiàn)行的補(bǔ)貼政策中，它的總的傾向性是鼓勵(lì)大家把電池的能量密度做高，把車輛的行駛里程做長(zhǎng)，這樣做的終極目的是為了最終能夠啟動(dòng)私家車市場(chǎng)，通過(guò)電池能量密度的提高，來(lái)降低電池的成本，這個(gè)方向我認(rèn)為非常正確。

　　但是實(shí)際上，大家都能看到，私家車這個(gè)市場(chǎng)大面積的啟動(dòng)可能還需要若干年的時(shí)間，在這個(gè)之前，作為從業(yè)的公司，要想在新能源汽車領(lǐng)域分一杯羹的話，我們要看一看眼下，以及未來(lái)三年我們能夠在哪個(gè)市場(chǎng)上能夠有生意。

　　目前其實(shí)國(guó)內(nèi)在電動(dòng)出租車方面賣得最好的是比亞迪E6，它的典型配置是65千瓦時(shí)的電池，大概充滿電之后的實(shí)際運(yùn)營(yíng)里程可以達(dá)到兩百公里左右，每天兩班司機(jī)，大概能夠運(yùn)營(yíng)四百公里。它唯一的缺點(diǎn)是什么呢？就是白天的時(shí)候每一班司機(jī)大概要花2個(gè)小時(shí)充兩次電，夜班司機(jī)大概也要花這么長(zhǎng)時(shí)間，所以24小時(shí)里面，自己大概要花四到五個(gè)小時(shí)來(lái)充電，特別是白天的充電時(shí)間，比較多地影響了司機(jī)的運(yùn)營(yíng)，這是司機(jī)目前不太滿意的地方。

　　其它的電動(dòng)出租車方案，因?yàn)檠b的電量少，然后又不能快速充電，所以它們的運(yùn)營(yíng)其實(shí)是很成問(wèn)題的，可以說(shuō)它的運(yùn)營(yíng)效率跟真正的燃油出租車完全是兩個(gè)概念，所以也談不上經(jīng)濟(jì)性。

　　那么我們?cè)O(shè)想一種可以快速充電的方案，比如這個(gè)車上可以配載四十到五十千瓦時(shí)的電池，充滿電需要十五分鐘，我們?cè)O(shè)想兩班司機(jī)那么每班司機(jī)各充兩次，全天總共4次充電，累計(jì)的時(shí)間控制在一個(gè)小時(shí)之內(nèi)，這樣的話，這個(gè)車作為出租車運(yùn)營(yíng)距離燃油車的使用已經(jīng)是非常接近的了。另外，就是我們來(lái)看如果要滿足六年九十萬(wàn)公里或者一百萬(wàn)公里的需求，那么電池需要全充放的次數(shù)大概在4300或者5000次左右。

　　三、快充電池特性

　　從現(xiàn)在新能源汽車政府推廣的力度來(lái)看，公交車的力度是最大的，緊隨其后，政府的手能夠伸到地方就是出租車。所以我們總結(jié)一下運(yùn)營(yíng)車輛的特征，不管是出租車還是公交車，第一個(gè)它是一個(gè)生產(chǎn)工具，它有別于我們個(gè)人消費(fèi)者的車輛，每天的運(yùn)行要十五小時(shí)甚至到二十四小時(shí)，車輛每天的運(yùn)營(yíng)里程很長(zhǎng)，公交要二百五十公里，出租車要五百公里以上，第三個(gè)是車輛的壽命，或者說(shuō)對(duì)電池的壽命要求都希望達(dá)到六十萬(wàn)甚至一百萬(wàn)公里，所以簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，針對(duì)這樣的需求，快速充電和長(zhǎng)壽命是這個(gè)電池最基本的一個(gè)特征。

　　那么針對(duì)這兩種需求，有沒(méi)有電池能夠滿足這種商業(yè)上的要求？我們剛才談到了十分鐘或者十五分鐘充電，那么它的壽命希望達(dá)到五千次，甚至是一萬(wàn)多次。從 2007年開(kāi)始微宏一直在這方面在做努力，在過(guò)去的幾年中，我們先后開(kāi)發(fā)了兩代的產(chǎn)品，第一代是鈦酸鋰，這個(gè)電池在25℃下6C充放循環(huán)下，循環(huán)兩萬(wàn)五千次容量可剩余78%，第二張圖是第二代我們稱為多元復(fù)合鋰電池，這個(gè)電池有一萬(wàn)次的循環(huán)壽命。

　　四、電動(dòng)公交與電動(dòng)出租的快充方案

　　這兩個(gè)電池他們的出現(xiàn)就是針對(duì)前面提到的兩個(gè)市場(chǎng)，一個(gè)是公交，另一個(gè)是出租車，2011年3月，最早的第一批的六輛裝鈦酸鋰的公交大巴在重慶上線了，它的充電用了兩把槍，充電電流達(dá)到了500安培，標(biāo)準(zhǔn)電壓560伏，充電機(jī)的功率大概400千瓦。這批車到現(xiàn)在運(yùn)行了4年，每天充電5次左右，每充一次電線路的里程大概是30多公里，這個(gè)項(xiàng)目非常好的詮釋了鈦酸鋰電池在快速充電的條件下它的長(zhǎng)壽命和穩(wěn)定性。

　　三年之后，重慶這個(gè)模式走出國(guó)門，得以進(jìn)入到了德國(guó)Munster，VDL采購(gòu)了一批純電動(dòng)快充的大巴電池，這也是我們引以為豪的事情。

　　同樣是在去年，倫敦這個(gè)紅色雙層巴士，1000臺(tái)的訂單下給了微宏動(dòng)力，這個(gè)系統(tǒng)是一個(gè)增程式的串聯(lián)系統(tǒng)，配了18個(gè)千瓦時(shí)的鈦酸鋰。目前已經(jīng)有400多臺(tái)上線運(yùn)行了，在今年年底之前會(huì)把剩余的500多臺(tái)投入運(yùn)行。

　　從去年下半年開(kāi)始，國(guó)內(nèi)的公交市場(chǎng)非常火爆，從去年開(kāi)始我們陸陸續(xù)續(xù)在國(guó)內(nèi)很多城市都投入了快充的電動(dòng)公交車，特別是在北京，北京公交去年總計(jì)采購(gòu)了390臺(tái)配備快充電池的大巴及中巴，全部都采用了快速充電的模式，所以快充在公交行業(yè)獲得了相當(dāng)廣泛的認(rèn)可。

　　在公交之后，談到出租的應(yīng)用目前其實(shí)還沒(méi)有開(kāi)始。我們所設(shè)想的方式是純電動(dòng)的出租車能夠在10~15分鐘之內(nèi)充滿電，且每次充滿電續(xù)航里程能夠達(dá)到250公里。電池能夠使用60萬(wàn)公里，盡量做到與公交等壽命，這是我們所設(shè)想的電動(dòng)出租車的一個(gè)商業(yè)模式。

　　五、快充需解決的技術(shù)問(wèn)題

　　在快充體系之間，電池溫度是影響它壽命最大的殺手，50℃下容量衰減幾乎加快一倍，所以溫度控制是非常重要的。

　　在成本可以接受的情況下，我們會(huì)建議采用液冷的方式，我們把電池直接浸沒(méi)在高絕緣性的阻燃液體中，然后把這個(gè)液體循環(huán)出去，循環(huán)出去之后跟空調(diào)的氟利昂直接換熱，換完熱之后再回到電池中。這個(gè)是倫敦雙層巴士運(yùn)行了這樣一個(gè)系統(tǒng)，運(yùn)行得非常好，我們希望在乘用車上也能夠采用這樣的系統(tǒng)來(lái)解決快充的時(shí)候電池的熱管理問(wèn)題。

　　對(duì)于電池安全，客觀上來(lái)講，鋰電池的絕對(duì)安全是不存在的，它是易燃的、本身帶有能量的物體，所以我們能夠做到的是在材料體系上，電芯的單體制造和成組技術(shù)上進(jìn)行充分的設(shè)計(jì)來(lái)確保當(dāng)有意外發(fā)生的時(shí)候整個(gè)系統(tǒng)不會(huì)出現(xiàn)燃燒、爆炸。

　　微宏在大巴車上開(kāi)發(fā)了一套比較獨(dú)特的系統(tǒng)，就是把電池直接浸沒(méi)在高絕緣性的阻燃液體中，那把電池浸在油里的好處是什么呢？油隔絕了空氣，當(dāng)出現(xiàn)意外的時(shí)候，熱失控高溫的點(diǎn)和可燃物泄露出來(lái)的時(shí)候，它不會(huì)第一時(shí)間接觸到空氣，可以很有效地避免起火或者爆炸的發(fā)生。

　　我們做了一個(gè)具有象征意義的測(cè)試，在空氣中尖穿刺一個(gè)鋁殼電池或者在油中間穿刺一個(gè)電池，測(cè)試發(fā)現(xiàn)，在空氣中穿刺的時(shí)候，我們觀察到電池表面的溫度是六百多度的高溫，并且很容易起火，而在油中針刺的時(shí)候我們能觀察到的溫度大概只有一百多度。所以隔絕空氣能夠很有效地緩解電池在出現(xiàn)失控的時(shí)候的危險(xiǎn)。

　　六、快充電池的其他工業(yè)應(yīng)用

　　最后一張PPT是講快充在其他工業(yè)上的應(yīng)用，除了講到的兩個(gè)目標(biāo)市場(chǎng)：公交車和出租車之外，在所有24小時(shí)運(yùn)營(yíng)的移動(dòng)工具上，包括碼頭拖車、叉車、 RTG，無(wú)一例外對(duì)快充都有著需求。另外，在高功率使用的啟停電池上也可以發(fā)揮它長(zhǎng)壽命和大功率的特性。第三個(gè)是在增程式或者插電式車輛上，在高功率使用的情況下這種電池也會(huì)有很好的運(yùn)用。