功率型快充鋰離子動(dòng)力電池技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

劉正耀 楊道均 吳可

一、電動(dòng)汽車發(fā)展需要快充技術(shù)

隨著石油資源的逐漸枯竭、汽車尾氣排放帶來(lái)的資源減少和環(huán)境污染等問(wèn)題日趨嚴(yán)重，新能源汽車成為未來(lái)汽車的主要發(fā)展方向并成為行業(yè)熱點(diǎn)。世界各國(guó)都在大力發(fā)展新能源汽車，我國(guó)更是將其列入到7大戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之中。節(jié)能與新能源汽車的發(fā)展是我國(guó)減少石油消耗和降低二氧化碳排放的重要舉措之一，中央和地方各級(jí)政府對(duì)其發(fā)展高度關(guān)注，陸續(xù)出臺(tái)了各種扶持和培育政策，為新能源汽車的發(fā)展?fàn)I造了良好的政策環(huán)境。

但是，新能源汽車充電難、充電時(shí)間長(zhǎng)等技術(shù)性問(wèn)題一直是電動(dòng)汽車推廣的攔路虎。眾多電動(dòng)汽車企業(yè)在追求更高的續(xù)航里程的同時(shí)，并沒(méi)很好地兼顧到充電時(shí)間。在充電設(shè)施不能充分滿足需求的情況下，這一切核心問(wèn)題在于電動(dòng)汽車的充電技術(shù)不過(guò)關(guān)，不能滿足快速充電的要求。能滿足快速充電的動(dòng)力汽車成為行業(yè)顯性的需求，新的市場(chǎng)需求必然會(huì)引領(lǐng)新的技術(shù)革新和產(chǎn)品出現(xiàn)，因此，各鋰離子動(dòng)力電池廠商也在積極適應(yīng)行業(yè)發(fā)展的需求，開(kāi)始開(kāi)發(fā)具有快充功能的動(dòng)力電池。

一般對(duì)快充的定義為在短時(shí)間內(nèi)可以給電池充入大量電能，而對(duì)具體充電時(shí)間和電池荷電狀態(tài)沒(méi)有統(tǒng)一的規(guī)定。根據(jù)早期美國(guó)加州空氣資源委員會(huì)（CARB）的規(guī)定，電動(dòng)汽車快速充電時(shí)間為10min（6C）。而近來(lái)諸如分鐘級(jí)和秒級(jí)充滿電的宣傳更是數(shù)見(jiàn)不鮮。那么就電動(dòng)汽車行業(yè)來(lái)說(shuō)，快充是指可以在數(shù)十分鐘，乃至幾分鐘內(nèi)將電池滿，區(qū)別于慢充的7～8h充電。

鋰離子電池實(shí)現(xiàn)快速充電，短時(shí)間內(nèi)內(nèi)阻升高較小是完全可行的，而隨著壽命的衰減，電池的內(nèi)阻升高導(dǎo)致功率下降，使得電池充電能力下降，并且溫升過(guò)高導(dǎo)致壽命加速衰減；而且當(dāng)前鋰離子動(dòng)力電池大多數(shù)采用石墨負(fù)極體系，在低溫條件下快速充電容易析出活性鋰金屬，也會(huì)造成低溫快速充電應(yīng)用時(shí)電池壽命急劇衰減，并且存在引發(fā)電池內(nèi)部短路的安全隱患。因此新能源汽車用快充型鋰離子電池需要設(shè)計(jì)理念先進(jìn)、工藝制造水平高超，是一項(xiàng)技術(shù)集中型產(chǎn)品。

二、快充解決方案

圖1為鋰離子電池充電過(guò)程示意圖。由圖可知，鋰離子電池的充電過(guò)程主要包括：①在外加負(fù)載作用下，鋰離子（Li+）從正極材料脫出進(jìn)入電解液；②Li+在電解液中的擴(kuò)散；③Li+嵌入負(fù)極材料，并伴隨一系列的電子運(yùn)動(dòng)?？斐湫枰獙?shí)現(xiàn)上述3個(gè)過(guò)程快速有序的進(jìn)行。因此要實(shí)現(xiàn)鋰離子動(dòng)力電池的快充需要多方面技術(shù)的共同發(fā)展。首先，快充鋰離子電池的電化學(xué)材料體系選型是決定能否實(shí)現(xiàn)快充，并解決快充安全性的關(guān)鍵；其次，快充方法的設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)快充的必要途徑，最后，快充電池的電池管理系統(tǒng)（BMS）的設(shè)計(jì)也直接決定了快充電池的應(yīng)用。

1.快充電池材料體系選擇

目前快充鋰離子電池材料體系選擇研究重點(diǎn)主要有正極材料、負(fù)極材料和電解液3個(gè)方面。

鋰離子動(dòng)力電池常用的正極材料包括錳酸鋰（LMO）、三元材料（NCM和NCA）和磷酸鐵鋰（LFP）。一般認(rèn)為，較高的Li+擴(kuò)散系數(shù)和電子電導(dǎo)，可以保障充放電過(guò)程中有較高的Li+傳輸效率以及較低的電子傳輸阻力。

圖2為常見(jiàn)正極材料的晶體結(jié)構(gòu)示意圖。通過(guò)圖2所示錳酸鋰材料具有三維鋰離子擴(kuò)散通道，在充放電過(guò)程中可以始終保持較高的功率性能。

3種材料的離子擴(kuò)散系數(shù)和電子電導(dǎo)率見(jiàn)表1，充放電動(dòng)力學(xué)參數(shù)也表明，錳酸鋰材料擁有相對(duì)較高的Li+擴(kuò)散系數(shù)和電子電導(dǎo)，是實(shí)現(xiàn)鋰離子電池快充的最佳選擇。

負(fù)極作為充電過(guò)程中Li+的接受體，是快充電池設(shè)計(jì)中最重要的環(huán)節(jié)。負(fù)極材料必須具備快速接納大量嵌入Li+的能力，否則在快充過(guò)程中，Li+會(huì)在負(fù)極表面沉積、析出，形成鋰枝晶，產(chǎn)生安全隱患。

就目前現(xiàn)有商業(yè)化的電池體系中，適合于快速充電的主要有2種體系，一種是鈦酸鋰負(fù)極體系，另外一種是復(fù)合無(wú)定形碳體系。鈦酸鋰、無(wú)定形碳和石墨負(fù)極的晶體結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖3。

人造石墨是最常用的負(fù)極材料，但其層間距較?。?.354nm），在快速充電模式下由于界面反應(yīng)阻抗的增加，使得石墨負(fù)極相比慢充下更容易達(dá)到析鋰電位，鋰離子不能正常嵌入到石墨負(fù)極，而是以原子的形式沉積在負(fù)極表面形成鋰枝晶，外在表現(xiàn)出滿充電池的荷電狀態(tài)也許只有70%。鈦酸鋰（LTO）負(fù)極為尖晶石結(jié)構(gòu)，零應(yīng)變材料，鋰離子可以不受限制的進(jìn)行脫嵌，而且其為納米顆粒，鋰離子遷移路徑短，高電位不析鋰，具有長(zhǎng)壽命、高倍率、高安全和低溫性能優(yōu)異的特點(diǎn)。因此，非晶碳類材料和鈦酸鋰是快充鋰離子電池的理想負(fù)極。

LTO負(fù)極為尖晶石結(jié)構(gòu)，具有以下特點(diǎn)：①安全性能良好，鈦酸鋰材料相對(duì)于鋰電極的電位為1.55V，電極電壓高，可避免負(fù)極SEI膜的生成，且不存在由于金屬鋰析出而產(chǎn)生的短路現(xiàn)象，安全性能良好；②循環(huán)性能優(yōu)異，石墨的體積膨脹率為9%左右，而鈦酸鋰為“零應(yīng)變”材料，晶體結(jié)構(gòu)變化小于1%，使其具有優(yōu)良的循環(huán)性能和平穩(wěn)的放電電壓，已報(bào)道使用壽命為20 000次；③可快速大電流充放電；④良好的溫度特性。

國(guó)內(nèi)外采用鈦酸鋰作為負(fù)極的全電池產(chǎn)品較多。國(guó)外以日本為代表，日本東芝公司報(bào)道鈦酸鋰電池在快速充放電條件下，循環(huán)約3 000次后，容量降低不到10%，按每天充電一次推算，可使用10年以上；-30℃可確保80%以上的放電容量，根據(jù)美國(guó)阿貢實(shí)驗(yàn)室報(bào)道55℃時(shí)充放電容量沒(méi)有衰減，因此適用地區(qū)范圍廣，具有極優(yōu)的儲(chǔ)能性。

國(guó)內(nèi)采用鈦酸鋰作為負(fù)極的有中信國(guó)安盟固利動(dòng)力科技有限公司（以下簡(jiǎn)稱“盟固利”）、深圳市和微宏防靜電器材有限責(zé)任公司等，盟固利的鈦酸鋰電池技術(shù)已經(jīng)在高鐵、純電動(dòng)汽車上批量使用，有相對(duì)成熟的技術(shù)方案和應(yīng)用推廣案例。

無(wú)定形碳也稱為有機(jī)裂解碳，它沒(méi)有宏觀的晶體學(xué)性質(zhì)，但是在微細(xì)區(qū)域內(nèi)，存在不同程度的有序結(jié)構(gòu)，稱為“微晶體”。無(wú)定形碳實(shí)際是石墨化程度較低的石墨，由石墨微晶和無(wú)定形區(qū)域組成，從內(nèi)部結(jié)構(gòu)上來(lái)看，是由尺寸不同的二維亂層微晶堆積的鑲嵌體結(jié)構(gòu)。無(wú)定形碳材料目前成熟的產(chǎn)品包括軟碳和硬碳兩類，應(yīng)用于鋰離子電池負(fù)極體系中，由于層間距較大，可以提供鋰離子快速脫嵌的通道，而且可用電位較高，電池的安全性、低溫特性都比石墨體系優(yōu)越，但是存在的問(wèn)題是首次效率很低，一般只有60%左右，導(dǎo)致比能量較低，大部分應(yīng)用的方向是混合動(dòng)力。國(guó)外以日立公司為代表，日立公司的第3代混合動(dòng)力產(chǎn)品就是硬碳體系，電流容量為4.4Ah，平均電壓為3.6V，功率密度為3 000W/kg，能量密度61Wh/kg；后來(lái)日立又推出第4代產(chǎn)品。外形尺寸為120mm×90mm×18mm。電流容量為4.8Ah，平均電壓為3.6V，能量密度為72Wh/kg。這兩代產(chǎn)品的功率特性都比較好，但是能量密度偏低，在純電動(dòng)車上使用存在問(wèn)題。

快充電池專用電解液的設(shè)計(jì)一般從2個(gè)方面出發(fā)，一是提高電解液的電導(dǎo)率，降低Li+擴(kuò)散阻力，二是制備高濃度電解液，降低高倍率下產(chǎn)生的濃差極化。此外，在電解液中加入添加劑也是一種常用的提高其快充性能的方法。在確定正負(fù)極材料和電解液體系之后，快充電池在電極設(shè)計(jì)上常采用“輕薄化”方案，通過(guò)降低涂布厚度來(lái)降低鋰離子的擴(kuò)散路徑，有利于提高電池快速充電能力。同時(shí)為了降低極片的電阻，也會(huì)增加導(dǎo)電劑在電極材料中的含量，從而降低電池的內(nèi)阻，提高大電流充電能力。

2.快充方法的設(shè)計(jì)

基于鉛酸電池的傳統(tǒng)充電觀念不允許快速充電。20世紀(jì)60年代初，鉛酸電池的充電規(guī)則是不允許使用1C以上的電流進(jìn)行充電，否則會(huì)大量產(chǎn)氣。隨著科學(xué)進(jìn)步，研究人員開(kāi)始探索可以用于快速充電的方法，并取得了諸多成果。已證明各種蓄電池都可以實(shí)現(xiàn)3～10min的快充充電，達(dá)到30%～70%的荷電態(tài)。目前，國(guó)內(nèi)外開(kāi)發(fā)的快速充電方法主要有大電流恒流方法、多階段恒流方法、大電流限流恒壓方法、限流無(wú)阻恒壓方法、脈沖充電方法（包括普通脈沖充電、帶負(fù)脈沖的脈沖充電和慢脈沖充電）以及根據(jù)特定蓄電池體系的充電基本理論開(kāi)發(fā)出的專有快速充電方法。

盟固利在快充方法研究上有一定創(chuàng)新。在保證電池安全性的前提下，采用ICA解析的方法，找到產(chǎn)生最大容量的電壓區(qū)間，在這個(gè)區(qū)間內(nèi)采用大電流充電，快到截止電位時(shí)，降流充電，保證快充的同時(shí)兼顧安全性和壽命。

3.快充電池管理系統(tǒng)

鋰離子動(dòng)力電池在實(shí)際應(yīng)用中并非以單體電池形式出現(xiàn)，而是進(jìn)行一系列串并聯(lián)后以一定的結(jié)構(gòu)和順序排布在電池箱體中，并輔以電池管理系統(tǒng)和其他電器件，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定安全的電能存儲(chǔ)和釋放。先進(jìn)快充技術(shù)也需要電池管理系統(tǒng)的高效配合。因此，快充鋰離子動(dòng)力電池的研究工作就必須包含電池管理系統(tǒng)開(kāi)發(fā)和電池箱體結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

BMS是電池與用戶之間的紐帶，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電動(dòng)汽車動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的采集功能，實(shí)時(shí)監(jiān)控車輛運(yùn)行的各種動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)?？梢哉f(shuō)BMS就是鋰離子動(dòng)力電池模塊的“大腦”，甚至可以說(shuō)是電動(dòng)汽車的大腦，必須能夠做到對(duì)電池組和整車狀態(tài)的高效監(jiān)控和精準(zhǔn)預(yù)測(cè)，防止對(duì)動(dòng)力電池的濫用，并能夠在事故危險(xiǎn)出現(xiàn)之前及時(shí)切斷電源，降低事故等級(jí)，減少事故損失。尤其是在快充模式下，要實(shí)現(xiàn)短時(shí)間內(nèi)大量電能的轉(zhuǎn)化，需要對(duì)每支電池快速充電過(guò)程中的實(shí)時(shí)狀態(tài)進(jìn)行精確的監(jiān)控和快速的預(yù)測(cè)。

此外，隨著充電電流的增加，電池產(chǎn)熱量提升，溫升隨之增大，這就要求優(yōu)化電池本身結(jié)構(gòu)，強(qiáng)化電池箱體的散熱。目前常用的電池箱體散熱方案有風(fēng)冷式和液冷式。鋰離子電池的熱管理系統(tǒng)既要有強(qiáng)化散熱也需要低溫下的保溫，尤其是對(duì)于快充電池。低溫下電極材料和電解液的離子導(dǎo)電性均有不同程度下降，增加了電池快充的難度。低溫下的快充保障可以從2方面考慮，一是通過(guò)加熱系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)電池快速加熱，同時(shí)配合保溫措施使電池可以在較低溫度下運(yùn)行；二是開(kāi)發(fā)適用于寬溫區(qū)的快充鋰離子動(dòng)力電池，即在電池設(shè)計(jì)階段充分考慮低溫下電池極化增大和電導(dǎo)率降低問(wèn)題。

4.快充鋰離子電池技術(shù)進(jìn)展介紹

各研究機(jī)構(gòu)和新能源企業(yè)在實(shí)用快充技術(shù)、快充用動(dòng)力電池以及快充用充電設(shè)施的研發(fā)等方面都投入了極大的精力，并已取得諸多成果。

美國(guó)高通公司和美國(guó)德州儀器公司在快速充電技術(shù)方面起到了排頭兵的作用。美國(guó)高通公司的Quick Charge 2.0是在其1.0技術(shù)上發(fā)展起來(lái)的主要應(yīng)用于3C產(chǎn)品的快充技術(shù)。據(jù)介紹，使用該技術(shù)的移動(dòng)裝置可以減少75%的充電時(shí)間。其核心理念是提高充電電流限額，通過(guò)同時(shí)增大電壓和電流的方式達(dá)到增加充電功率的目的。美國(guó)德州儀器公司生產(chǎn)的MaxLife快速充電技術(shù)采用創(chuàng)新的電池老化系統(tǒng)化模型，可以大幅縮短充電時(shí)間。而且實(shí)驗(yàn)室測(cè)試資料還表明，該技術(shù)可將電池的使用壽命延長(zhǎng)30%。采用Impedance Track電池容量測(cè)量技術(shù)，MaxLife演算法可準(zhǔn)確預(yù)測(cè)并避免導(dǎo)致電池老化的充電條件。其技術(shù)優(yōu)勢(shì)主要有3點(diǎn)：①基于阻抗跟蹤（Impedance Track）的電池容量測(cè)量技術(shù)，可避免高倍率快速充電所造成的電池老化問(wèn)題，精確控制充電電壓和電流及充電結(jié)束時(shí)間；②可減少軟件開(kāi)銷，降低總體材料清單成本，減小空間，提高電池安全性和散熱管理；③可針對(duì)不同平臺(tái)和容量更高的電池，自動(dòng)調(diào)整充電算法。

由Eesha Khare發(fā)明，可以讓智能手機(jī)在20～30s內(nèi)完成充電的快速充電技術(shù)獲得了2013年國(guó)際科學(xué)博覽會(huì)的最高獎(jiǎng)項(xiàng)。該發(fā)明是由氫化二氧化鈦、聚苯胺納米棒組成的高性能超級(jí)電容器。這個(gè)電容器能在微小空間內(nèi)裝載超多能量，不僅充電速度快，還能長(zhǎng)時(shí)間保存電量。此外，該設(shè)備的充電周期達(dá)到1萬(wàn)次，而傳統(tǒng)充電電池只有1 000次。

上述幾種快速充電技術(shù)均源自于手機(jī)等3C類產(chǎn)品，尚不能應(yīng)用于電動(dòng)汽車用動(dòng)力電池的快速充電。然而，其諸多設(shè)計(jì)理念和控制算法卻有可借鑒之處。以MaxLife快速充電技術(shù)的阻抗跟蹤電池容量測(cè)量技術(shù)為例，它改變了目前常見(jiàn)電池管理系統(tǒng)采用的檢測(cè)電壓或電流的方法。所以，分析其他類型電池快速充電技術(shù)可以豐富設(shè)計(jì)思路，有益于鋰離子動(dòng)力電池快速充電技術(shù)的發(fā)展。

在適應(yīng)快充模式的動(dòng)力電池的研發(fā)方面，盟固利已經(jīng)成功開(kāi)發(fā)出可在100C大倍率下充電的高性能動(dòng)力電池。這款新開(kāi)發(fā)的動(dòng)力電池以100C倍率充電時(shí)，僅需要6s就可以充入大約16%的容量，而后在1.7min內(nèi)充入70%以上的容量。當(dāng)然，100C快充是實(shí)驗(yàn)室可以達(dá)到的水平，并不意味著實(shí)際應(yīng)用中會(huì)如此使用，但它表明鋰離子電池的倍率特性有較大的提升空間。此款產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，意味超級(jí)充電技術(shù)從動(dòng)力電池角度是可實(shí)現(xiàn)的，只要外部基礎(chǔ)設(shè)施的條件滿足提供大電流的需求，就可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)車超級(jí)充電。盟固利公開(kāi)的這項(xiàng)技術(shù)，也證明了鋰離子動(dòng)力電池可能有更大的潛能有待發(fā)掘。

作為電動(dòng)汽車企業(yè)，特斯拉在快速充電技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用上同樣做了大量的工作。目前用特斯拉超級(jí)充電樁充電，20min就可以充進(jìn)50%電量（可行駛200km），而80min就可以把電量充滿。這是由于特斯拉獨(dú)特的充電槍設(shè)計(jì)：使用特斯拉的超級(jí)充電樁充電，充電槍里的感應(yīng)器會(huì)隨時(shí)檢測(cè)車內(nèi)電池的溫度變化，如果電池溫度過(guò)高，充電槍就立即發(fā)出信號(hào)，減低充電強(qiáng)度，使電池溫度降低；同時(shí)，電池板內(nèi)的冷卻系統(tǒng)，也同步做出相應(yīng)的反應(yīng)，使冷卻力度同步加強(qiáng)。也就是說(shuō)，特斯拉的充電槍里好像是長(zhǎng)著“神經(jīng)”一樣，能感知車內(nèi)電池的溫度變化，并能根據(jù)電池溫度的高低，自動(dòng)調(diào)節(jié)充電強(qiáng)度，特斯拉這個(gè)簡(jiǎn)單的充電過(guò)程，是充電槍、電池冷卻系統(tǒng)和充電樁一起高度協(xié)同工作。正是基于這樣的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，特斯拉聯(lián)合創(chuàng)始人JB Strubal信心滿滿地說(shuō)，未來(lái)會(huì)把特斯拉充電時(shí)間減少到5～10min（特斯拉Model S的續(xù)航超過(guò)400km）。

特斯拉電動(dòng)汽車5min超快充電構(gòu)想的實(shí)現(xiàn)也許已經(jīng)為期不遠(yuǎn)。近日，Store Dot以色列公司宣布成功研發(fā)出一種種汽車超級(jí)充電技術(shù)，其中包括電池組和專用充電樁。介紹顯示，Store Dot的超級(jí)充電技術(shù)可在5min內(nèi)為電動(dòng)汽車補(bǔ)充能夠續(xù)航480km的電量，這與傳統(tǒng)汽車加滿一箱油的時(shí)間相差無(wú)幾。Store Dot的CEO Doron Myersdorf指出，這項(xiàng)超級(jí)充電技術(shù)中所利用的電池采用了大量的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，該公司研發(fā)出了一種新的技術(shù)——多功能電極（multifunction electrode，MFE）。MFE使用了導(dǎo)電聚合物和金屬氧化物作為電池材料。前者允許電池接受快速充電，而后者則用來(lái)把迅速聚合的鋰離子慢慢流進(jìn)電極。這一快一慢2個(gè)過(guò)程既保證了充電的快速性，又避免了電極崩潰或者壽命變短。此外，Store Dot的快速充電電池對(duì)傳統(tǒng)鋰電池的所有組件（包括正極、負(fù)極以及電池隔膜等）都進(jìn)行了修改，使得它們可以適應(yīng)極速充電的需求。這種快速充電電池內(nèi)部的電阻非常小，在充電過(guò)程中產(chǎn)生的熱量非常少，其壽命是普通鋰電池的3倍左右，同時(shí)其造價(jià)僅比鋰電池高出20%～30%。Store Dot公司計(jì)劃在2016年推出這種超級(jí)充電系統(tǒng)的原型，并力爭(zhēng)2017年實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。

可以預(yù)見(jiàn)，隨著科技的不斷進(jìn)步，上述各種新式快速充電技術(shù)的應(yīng)用會(huì)逐漸普及，也必然會(huì)有許多更為新穎的快充技術(shù)出現(xiàn)。而新技術(shù)的出現(xiàn)除了依賴于領(lǐng)軍人物或企業(yè)的飛躍式開(kāi)創(chuàng)，更為重要的是要靠不斷從已有技術(shù)中汲取創(chuàng)新能量，互相借鑒，互相促進(jìn)。

三、我國(guó)快充鋰離子電池的應(yīng)用概況

目前快充鋰離子動(dòng)力電池的應(yīng)用主要集中在電動(dòng)公交車領(lǐng)域，電動(dòng)出租車暫時(shí)沒(méi)有成功的應(yīng)用實(shí)例。在快充型電動(dòng)公交車推廣和應(yīng)用過(guò)程中，以CATL、微宏公司、珠海銀隆和盟固利為首的一部分企業(yè)憑借核心競(jìng)爭(zhēng)力，在各自的技術(shù)路線中耕耘多年，成為快充電池領(lǐng)域的佼佼者。

CATL的磷酸鐵鋰/快充石墨電池體系能量密度約70～75kWh/kg，可以實(shí)現(xiàn)10～15min充電，循環(huán)壽命可達(dá)10 000次以上，而且電池系統(tǒng)成本低，相對(duì)比較安全。但磷酸鐵鋰體系即使解決了導(dǎo)電性差、離子擴(kuò)散速率慢等問(wèn)題，仍存在振實(shí)密度小、低溫性能差、單體一致性差等先天不足。

微宏公司的三元材料/多孔硬碳電池體系能量密度約60～65Wh/kg，可以實(shí)現(xiàn)10～15min充電，循環(huán)壽命5 000～6 000次，成本較高，不足之處為高電壓下發(fā)生副反應(yīng)可能較大。

由北京市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)支持、盟固利承擔(dān)的“快速充電動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)研究”課題圓滿完成各項(xiàng)工作，可實(shí)現(xiàn)10min快速充電能力的快充電池系統(tǒng)。該項(xiàng)研究成果榮獲2015年北京市科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)。在此介紹快充項(xiàng)目中的2個(gè)實(shí)例，以便對(duì)快充鋰離子電池技術(shù)的應(yīng)用推廣有更為深刻的理解。

1.北京小營(yíng)快充純電動(dòng)項(xiàng)目

北京小營(yíng)快充純電動(dòng)公交項(xiàng)目自2015年1月起開(kāi)始投入運(yùn)行，采用福田歐輝12m車型，搭載盟固利快充動(dòng)力電池，電池系統(tǒng)共有8箱電池，通過(guò)7并144串組裝而成，電池系統(tǒng)容量和電壓為533V/245Ah，總電量為130KWh。主要使用16臺(tái)充電機(jī)，功率是380kW，最大輸出電流400A。

經(jīng)過(guò)一年多時(shí)間的運(yùn)行，車輛最大運(yùn)行里程已達(dá)6.4萬(wàn)km，平均運(yùn)行里程約4.5萬(wàn)km。每輛車運(yùn)行里程約60km后回站（如圖4所示）充電，平均每分鐘充入約4kWh電量，平均充電時(shí)間為15min左右（詳情見(jiàn)表3）。

電池系統(tǒng)在快速充電過(guò)程中，平均溫升6℃，電池系統(tǒng)工作穩(wěn)定。熱管理設(shè)計(jì)為電池系統(tǒng)提供了良好的工作溫度環(huán)境，保證電池系統(tǒng)一直處于較合理的工作溫度環(huán)境，確保了車輛的穩(wěn)定運(yùn)行。

通過(guò)對(duì)小營(yíng)快充電池進(jìn)行返廠檢測(cè)，從容量衰減上來(lái)看，小營(yíng)快充電池在運(yùn)行14個(gè)月的時(shí)間里容量衰減率為5.2%（詳情見(jiàn)表4），相當(dāng)于第1年運(yùn)行的衰減率在4.5%左右。理論上講電池的容量衰減在最初的階段幅度最大，后期逐步平緩，因此基本可以判斷，小營(yíng)快充項(xiàng)目的電池可以保證5年容量保持率在80%以上。

2.張家口崇禮、赤城快充純電動(dòng)公交項(xiàng)目

作為2022冬奧會(huì)新能源示范項(xiàng)目，河北省張家口地區(qū)自2015年底搭載盟固利25Ah電池（3并156串，43kWh電量）的快充純電動(dòng)公交車共41輛，分布在河北省崇禮縣和赤城縣地區(qū)。崇禮縣是冬奧會(huì)的滑雪比賽場(chǎng)地，而赤城縣則為溫泉旅游圣地。

由于崇禮縣及赤城縣地處北方山區(qū)，冬季最低氣溫低于-20℃，因此部分車輛搭載了盟固利最新設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的寬溫區(qū)電池，可在滿足-30℃的使用要求，在低溫下有更加優(yōu)異的功率性能，電池發(fā)熱量更低，提高了循環(huán)壽命。

搭載寬溫區(qū)電池的車輛在低溫狀態(tài)（平均氣溫-10℃左右，電池溫度0℃～10℃）下從30%荷電狀態(tài)（SOC）以160A電流充滿電所需時(shí)間在20min左右，如果提高充電機(jī)功率，充電時(shí)間會(huì)進(jìn)一步縮短，寬溫區(qū)電池允許在0～10℃之間進(jìn)行3C的充電策略（詳情見(jiàn)圖5），無(wú)需加熱僅做好保溫措施的情況下即可滿足充電時(shí)間的要求，非常適合在北方及東北高寒地區(qū)推廣應(yīng)用。

四、結(jié)語(yǔ)

盡管目前快充鋰離子動(dòng)力電池的應(yīng)用還處于小范圍使用階段，快充模式為純電動(dòng)公交車運(yùn)行帶來(lái)了極大的便利，首先電池組配置容量減少，降低了成本；其次，隨著搭載電池的體積和重量的減少，提高了車輛的空間使用率和安全性，快充也大大縮短了充電時(shí)間，增加了運(yùn)營(yíng)收益。但快充技術(shù)的全面推廣和應(yīng)用還面臨著種種問(wèn)題，比如大電流充電對(duì)局部電網(wǎng)要求較高，快充電池續(xù)航里程少、國(guó)家補(bǔ)貼幅度小、無(wú)法達(dá)到免購(gòu)置稅條件增加了購(gòu)車成本，快充用大功率充電樁技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)尚未統(tǒng)一、兼容性政策尚未出臺(tái)。這些都限制了快充動(dòng)力電池的應(yīng)用。

然而，在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)，快充鋰離子動(dòng)力電池的市場(chǎng)規(guī)模是巨大的。首先國(guó)內(nèi)城市公交車的優(yōu)點(diǎn)非常明顯，在政府補(bǔ)貼政策的刺激下，到2020年或?qū)⑦_(dá)到上億千瓦時(shí)的規(guī)模；其次在環(huán)保壓力下，歐洲城市對(duì)交通工具電動(dòng)化的渴求會(huì)更加強(qiáng)烈，而且歐洲油電價(jià)差非常大，相對(duì)來(lái)說(shuō)電力供應(yīng)也比較充分，因此預(yù)計(jì)快充市場(chǎng)會(huì)快速增長(zhǎng)。