鋰電池電動車極快速充電的科學(xué)與工程問題

王 莉，馮旭寧，胡堅耀，何向明,，田光宇

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鋰電池電動車極快速充電的科學(xué)與工程問題

王 莉1，馮旭寧1，胡堅耀2，何向明1,3，田光宇3

（1清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院，北京 100084；2工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東 廣州 510610；3清華大學(xué)汽車安全與節(jié)能國家重點實驗室，北京 100084）

“里程焦慮”一直困擾著電動車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，在電池能量有限的情況下，消費者期望電動車能夠在10 min內(nèi)完成充電，即充電能夠像燃油車加油一樣的方便快捷。電動車的快速充電一般指充電時間為0.5～2 h，長于2 h為常用的慢速充電，而低于10 min則為極快速充電。本文僅從科學(xué)與工程問題出發(fā)，從基礎(chǔ)設(shè)備/設(shè)施、電池電源系統(tǒng)、熱管理、單體電池設(shè)計、電池材料等層面分析了鋰離子電池在極快速充電模式面臨的一系列挑戰(zhàn)，比較了目前技術(shù)水平與極快速充電要求之間的差距，對極快速充電需要解決的技術(shù)難題進(jìn)行了凝練，雖然極快速充電目前還沒有實現(xiàn)，本文提出了研發(fā)方向建議。

鋰離子電池；純電動車；極快速充電；科學(xué)與工程問題；發(fā)展方向

隨著能源及環(huán)境問題的日益嚴(yán)重，電動車成為我國的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。在過去的10年，純電動車動力系統(tǒng)的各項性能有了顯著的提高，成本下降了3/4，但純電動車每年仍只占乘用車銷量的1%左右。除了純電動車動力總成本仍需提高對燃油車的競爭力外，快速充電能力也是一個影響純電動車市場認(rèn)可度的關(guān)鍵指標(biāo)。2018年6月15日《經(jīng)濟日報》發(fā)布的《傾聽電動汽車背后的民眾心聲——中國電動汽車發(fā)展民意調(diào)查報告》[1]表明，“我國基礎(chǔ)充電設(shè)施仍不完善、中途補電不便”及“里程焦慮”仍然是困擾電動車發(fā)展的最大難題。調(diào)查報告顯示，消費者普遍期望電動汽車具有較長的續(xù)駛里程，48.3%的受訪者期望“續(xù)駛里程達(dá)到400 km以上”。擺脫“里程焦慮”的途徑有兩個：①提高電池比能量，增加裝車電池容量，這可能帶來電動車成本增加的問題；②建設(shè)并完善充電設(shè)施網(wǎng)絡(luò)。例如如果電動車行駛期間能夠進(jìn)入50～120 kW的公共快速充電站，即使這種情況發(fā)生的概率只有1%～5%，電動車每年的行駛里程即可增加超過25%[2]。因此，快速充電站有助于緩解人們普遍認(rèn)為的“里程焦慮”。但這需要充電能夠像給燃油車加油一樣方便快捷。同時，報告還顯示消費者希望“能夠在10 min內(nèi)完成充電”。因此，快速充電似乎是電動車產(chǎn)業(yè)發(fā)展繞不開的難題。

目前電動車一般是家中或者停車場充電，充電時間需要4～10 h。對于大多數(shù)上班族而言，晚上把電動車開回家在停車場充電，是一個很好的選擇。但依然存在一些特殊情況，需要對電動車進(jìn)行快速充電。當(dāng)前技術(shù)水平的電動車一般可以承受0.5～2 h范圍內(nèi)的快速充電，少數(shù)車型具有20 min“超級快速充電”的能力。行業(yè)對電動車的一般快速充電指0.5～2 h，大于2 h為普通慢速充電，低于10 min稱為極快速充電（extreme fast charging，XFC）[2]。美國能源部對XFC的描述為充電功率400 kW，相當(dāng)于每分鐘充電可以行駛30 km以上。提出這樣的極快速充電模式，是為了滿足電動車消費者獲得與燃油車加油相同的體驗。

極快速充電模式下，電池的衰變機制會發(fā)生變化，這需要進(jìn)一步研究大電流對電池及電池材料的影響；快充還對車輛電源的熱管理系統(tǒng)提出了新的挑戰(zhàn)；為了降低電流，充電系統(tǒng)需要大幅度提高電壓，這對電源設(shè)計、基礎(chǔ)設(shè)備/設(shè)施都提出了新的要求，以確保大電流/高壓條件下相關(guān)設(shè)備的可靠性和安全性，并兼顧經(jīng)濟性。上述一系列的問題需要進(jìn)一步的清晰化，并提出應(yīng)對策略，才能實現(xiàn)極快速充電模式的市場應(yīng)用。

本文從電動車極快速充電（XFC）相關(guān)的科學(xué)與工程問題出發(fā)，從基礎(chǔ)設(shè)備/設(shè)施、電池電源系統(tǒng)、熱管理、單體電池設(shè)計、電池材料等方面分析了極快速充電模式引發(fā)的一系列挑戰(zhàn)，希望能夠起到拋磚引玉的作用，令業(yè)界能理性思考，并挖掘到關(guān)鍵技術(shù)及其發(fā)展方向的信息。

1 電動車充電模式的現(xiàn)狀

目前商業(yè)上可用的電動乘用車（BEV）還不能以燃油車的加油時間充電。特斯拉提供了120 kW的最快的充電樁（最高可以支持高達(dá)145 kW的充電）。保時捷已經(jīng)展示了電動車概念車，可以支持高達(dá)400 kW的充電（800 V直流電壓，并計劃在2020年投產(chǎn)）。而市場上的其它電動車，如雪佛蘭Bolt、日產(chǎn)Leaf和寶馬I3，都是圍繞50 kW的直流快速充電（DCFC）設(shè)施而設(shè)計。為了提供與燃油車加油相當(dāng)?shù)某潆姇r間，充電功率需要從120 kW增加到400 kW。美國能源部提出extreme fast charging（XFC）的目標(biāo)，即400 kW充電功率，希望在10 min或更短的時間內(nèi)使車輛充電至可行駛320 km[2]。

快速充電能力不僅可以用功率作為參數(shù)，也可以用每分鐘充電獲得的行程里程數(shù)來定義。假設(shè)電動車的能耗為177 W·h/km，圖1比較了各種電動車以標(biāo)稱直流快充功率充電時每分鐘可以實現(xiàn)的續(xù)駛里程，并與XFC模式的數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較。由圖可知，大多數(shù)電動汽車的充電能力低于5 km/min，而特斯拉最先進(jìn)的120 kW超級充電模式達(dá)到9 km/min，但即便如此，距離XFC的高于35 km/min的指標(biāo)還是相距甚遠(yuǎn)。

圖1 各種電動汽車的直流快速充電（DCFC）功率及快速充電能力（km/min），以及XFC預(yù)期能力的比較。計算基于1 kW充電行駛5.6 km，或者1 km消耗177 W·h[2]

分別基于100 km能耗為18 kW·h和10 kW·h，計算得到各種充電模式下電動車的行駛里程，如表1所示。從表中可以看出，在電動車百公里能耗18 kW·h的情況下，行駛300 km需要用7.2 kW的功率充電500 min；如果用特斯拉的超級快速充電（140 kW）只需要25.7 min；而XFC-400kW的極快速充電模式只需要15 min即可行駛500 km。如果電動車的能耗降低為百公里10 kW·h，則XFC用8.3 min充電就可以行駛500 km。因此，通過輕量化降低電動車百公里能耗，對解決快速充電問題也有貢獻(xiàn)。

目前，大多數(shù)電動車及電池企業(yè)都在追求動力電池的比能量，將其作為緩解電動車客戶“里程焦慮”的主要手段。但快速充電可能是緩解“里程焦慮”的另外的有效途徑，并且可以通過改善電動車用戶的充電（“加油”）體驗，提高客戶對電動車的購買欲望。

表1 行程里程與充電模式的關(guān)系

2 極快速充電對電源系統(tǒng)的要求

鑒于電壓和電流較高，優(yōu)化的電池組設(shè)計對于實現(xiàn)XFC至關(guān)重要?，F(xiàn)有大多數(shù)電動汽車電池組的額定電壓等于或低于400 V，這意味著極快速充電過程中的最大額定電流高達(dá)300 A。圖2顯示了不同電池組電壓時充電電流與充電功率間的關(guān)系。較高的電流會產(chǎn)生更多的熱量，這將增加電池組冷卻系統(tǒng)的熱負(fù)荷。還需要更堅固的母線、極耳、集流體、熔斷器、斷開開關(guān)和絕緣，以適應(yīng)更高的電流，從而增加了電池組的質(zhì)量和成本。充電樁設(shè)備也必須適應(yīng)更高的電流，也帶來成本和質(zhì)量的增加。從圖2中可以明顯地看出，如果統(tǒng)一采用300 A電流，400 V系統(tǒng)只能支撐120 kW的充電功率，而1000 V系統(tǒng)可以實現(xiàn)300 kW的充電功率。因此，不斷提高系統(tǒng)電壓是動力電池組設(shè)計的發(fā)展趨勢，以期實現(xiàn)1000 V的電池組系統(tǒng)。

基于上述分析，可以預(yù)測將來的電動車系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，如表2所示?？焖俪潆姽β蕦哪壳暗?0～120 kW發(fā)展到高于400 kW（XFC）。而電池系統(tǒng)電壓將從400 V提高至800～1000 V。電池系統(tǒng)容量從目前的20～90 kW·h發(fā)展到大于60 kW·h。一次充電行駛里程也將從目前的120～500 km增加到300 km以上。

當(dāng)然，上述發(fā)展過程可能是漸進(jìn)式的。一方面，通過電池系統(tǒng)設(shè)計的優(yōu)化，實現(xiàn)電流和電壓交替發(fā)展，分為4個階段；另一方面，極快速充電對單體電池的倍率提出了越來越高的要求。預(yù)計整體發(fā)展步驟如下[3]：①目前已有電動車的電池系統(tǒng)指標(biāo)為400 V/125 A/50 kW和400 V/350 A/140 kW，單體電池的額定倍率為1.5～2 C；②第二步，電池系統(tǒng)發(fā)展至600 V/400 A/240 kW，單體電池倍率達(dá)到2.0～3.3 C；③第三步，電池系統(tǒng)發(fā)展為800 V/400 A/320 kW和1000 V/210～280 A/210～280 kW，單體電池倍率為3.3～4.6 C；④最終，電池系統(tǒng)發(fā)展為1000V/400A/ 400kW，單體電池倍率4.6～6 C。

圖2 不同電池組電壓條件下，充電電流與充電功率間的關(guān)系，其中，400 V是當(dāng)前典型的電動車電池組電壓（紅色線）[2]

隨著人們對電池組能量和充電功率的要求越來越高，為了避免電流不斷加大，系統(tǒng)電壓不斷提高是必然趨勢。根據(jù)現(xiàn)有的技術(shù)估計，系統(tǒng)電壓增加到1000 V是可以期待的。因此，從車輛角度，實現(xiàn)XFC模式的關(guān)鍵技術(shù)之一是電堆的重新設(shè)計與優(yōu)化，平衡各方面的要求，同時配合創(chuàng)新科技，研發(fā)出適應(yīng)XFC模式的電動車。

表2 電動車電池系統(tǒng)的發(fā)展趨勢

3 極快速充電對熱管理的要求

溫度對電芯性能和壽命的影響很大。不僅電池平均溫度影響電池的日歷壽命，電池最低和最高溫度差也會影響壽命[4]。圖3顯示了電芯溫度與電芯壽命的關(guān)系，研究表明電池平均溫度每增加13 ℃壽命就會減半。系統(tǒng)中單體電池的溫度差異會導(dǎo)致單體電池的衰減不同步，出現(xiàn)單體電池間容量差異加大，進(jìn)一步加速系統(tǒng)容量的衰減。現(xiàn)有電動車電池系統(tǒng)普遍采用被動電池均衡，因為與主動電池均衡相比，被動均衡的電控成本更低；但被動均衡系統(tǒng)中，整個電池組的容量受限于串聯(lián)電池串中容量最低的電池，這使得電池的成組效率相對較低。通常，單體電池的老化速度是不同的，制造一致性差、以及多電芯系統(tǒng)運行過程中電芯之間溫度存在差異，都是導(dǎo)致老化速度差異的重要原因。由大量單體電芯組成的大型電堆中，由于散熱不均，單體電芯間的溫度更容易出現(xiàn)較大差異。

眾所周知，大功率充放電會產(chǎn)生大量的熱量，加劇單體電芯間的溫度不均衡，溫度最高的電芯其壽命衰減最快，加大了電堆中單體電池容量的不一致性，進(jìn)一步加速電堆的容量衰減，因此大功率充放電會極大損害電堆的能量。圖4顯示了采用大容量等溫量熱儀測試的兩種電芯（能量型和功率型）由荷電態(tài)100%完全放電的“電效率”?！半娦省敝鸽姵爻浞烹娺^程中電能占總能量的比例，即“電效率”=電能/（電能+熱）。由于能量型電池的額定最大放電倍率為2 C，因此其數(shù)據(jù)有限。圖中功率型電芯的容量為6 A·h，能量型電芯的容量為20 A·h，兩種電池均為NMC|石墨電池。由于電極極片（正極和負(fù)極）的厚度及集流體的厚度存在差異，能量型電芯的“電效率”遠(yuǎn)低于功率型電芯。作為經(jīng)驗法則，石墨負(fù)極電池的充電“電效率”通常比放電效率低2%～8%。即使是目前最先進(jìn)的能量型電芯，考慮到電池的電效率及后續(xù)熱累積對電池壽命的影響，也是不適合于快速充電模式的。

注：電池“電效率”不足100%部分，意味著電池放電時有一部分能量以熱能的方式被消耗掉

極快速充電的大電流不僅對電芯的電效率是一大挑戰(zhàn)，對模組也是巨大的挑戰(zhàn)。為理解模塊中由于電池互連而產(chǎn)生的熱量，人們分別測量了磷酸鐵鋰|石墨單體電池及10個單體電芯串聯(lián)模塊的發(fā)熱。該模塊的設(shè)計用途是混合動力汽車（HEV，hybrid electric vehicle），其功率/能量比大于10（功率/能量比的定義是，已知時間段內(nèi)的最大電池功率除以電池中存儲的總能量）。圖5顯示了在不同放電電流情況下，單個磷酸鐵鋰|石墨電芯與模塊中每個單體電芯的發(fā)熱功率的比較。模塊中各單體電芯發(fā)熱功率的差異是由電池間的連接產(chǎn)生的。HEV的常用電流約為35 A，在該電流下，模塊中每個單體電芯的發(fā)熱功率比獨立的單體電芯高出約22%。因此，即使對于高功率優(yōu)化設(shè)計的電池系統(tǒng)，其連接也仍然貢獻(xiàn)大量的熱量。對于XFC應(yīng)用，更加需要考慮電池連接所產(chǎn)生的熱量，以消除潛在的安全問題。

圖5 單電芯和10電芯串聯(lián)的鋰鐵磷酸鹽電池模塊的熱生成[4]

在XFC模式下，電池系統(tǒng)的冷卻功率需要大幅度增加、甚至可能高于15 kW，以限制電池包系統(tǒng)內(nèi)的電芯溫度上升。電池包的熱管理系統(tǒng)需要確保電池組能夠在各種操作條件下，保持電池包內(nèi)部的溫度均勻以及確保電池包的溫度不高于設(shè)定值，以滿足電池包性能和壽命要求。電池模塊內(nèi)的溫度分布通常是嚴(yán)格控制的，通常低至2 ℃溫差范圍[4]?；诠ぷ髁黧w媒介（空氣冷卻與液體冷卻）或功能（具有加熱或冷卻源的主動系統(tǒng)以及被動系統(tǒng)），電池組的熱管理技術(shù)有不同的類別，但是用于XFC模式的熱管理系統(tǒng)應(yīng)該仔細(xì)考慮目前的熱管理設(shè)計是否可以承擔(dān)XFC模式的大量放熱，因為適用于XFC的電池系統(tǒng)與傳統(tǒng)電池系統(tǒng)相比，其熱管理系統(tǒng)具有更大的熱負(fù)荷。

但也不是將單體電芯的表面溫度降低就萬事大吉，這也是熱管理系統(tǒng)研究中尚待解決的問題。因為從另一方面考慮，電芯在高倍率下充放電將產(chǎn)生大量的熱，如果冷卻系統(tǒng)強制冷卻，將導(dǎo)致電芯內(nèi)、外部溫度差加大，這會導(dǎo)致電芯性能大幅度下降[5]。

由于電芯及電堆在XFC模式下會產(chǎn)生大量的熱，因此，XFC模式對電芯和模組系統(tǒng)的熱管理均提出了新的挑戰(zhàn)。

4 極快速充電對基礎(chǔ)設(shè)施的要求

電動車的極快速充電引發(fā)了一系列相互交織的研發(fā)挑戰(zhàn)。除了對車輛和電池技術(shù)的研發(fā)挑戰(zhàn)，還有其它方面的巨大挑戰(zhàn)，即400 kW充電功率對電網(wǎng)的影響、電動車輔助設(shè)備設(shè)施設(shè)計、充電樁選材及設(shè)計帶來的影響以及與XFC模式相關(guān)的基礎(chǔ)設(shè)施的成本。公共快速充電可以吸引并滿足住宅或工作場所沒有充電設(shè)施的消費者，并因此增加電動車的市場滲透率。快速充電的便利性還有助于推動純電動車在商業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用（如出租車、汽車共享服務(wù)）。早期評估發(fā)現(xiàn)，高達(dá)50 kW直流快速充電給純電動車用戶提供了額外的靈活性方便[2,6]。目前，大多數(shù)純電動車用戶主要在家充電，其次是工作場所。統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，隨著直流快速充電（高達(dá)50 kW）的日產(chǎn)Leaf的出現(xiàn)，美國西北部的純電動車的行程顯著增長。如果汽車制造商生產(chǎn)更多的行駛里程超過200 kW的純電動車，并可以使用快速充電，則對于長距離旅行的純電動車用戶來說，存在于燃油汽車和純電動車之間的“里程焦慮”的差距將逐步消失。

XFC所需的基礎(chǔ)設(shè)施較為復(fù)雜，以下3個方面需要著重進(jìn)行分析：①電網(wǎng)和公用設(shè)施需求；②充電站需求；③配套設(shè)備/設(shè)施需求。為滿足上述需求，相關(guān)的工業(yè)機構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)機構(gòu)（包括消防在內(nèi)的多個組織）需要制定針對性的、科學(xué)而完善的法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)。特別是XFC的安全問題，需要工業(yè)部門、地方政府、有管轄權(quán)的各職能機構(gòu)和公共事業(yè)委員會之間的協(xié)調(diào)，并盡早對利益相關(guān)者進(jìn)行教育、并推動其參與，這些活動經(jīng)常平行于規(guī)劃設(shè)計。

XFC對電動車輛的配套設(shè)備/設(shè)施提出了一系列技術(shù)挑戰(zhàn)（如電纜、高壓電器和連接器等），其中最重要的挑戰(zhàn)是充電樁的類型（如交流、直流，或高壓、低壓）以及與現(xiàn)有設(shè)備/設(shè)施的兼容性，這個問題不僅是個技術(shù)問題，還涉及法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一、以及滿足職業(yè)安全和健康管理等部門的規(guī)定。例如，現(xiàn)有常用充電電壓條件下快速充電的充電槍電纜線會超過15 kg/m[2]，圖6顯示隨著功率水平的增加，布線重量明顯增加，會超過職業(yè)健康安全規(guī)定的個人舉重標(biāo)準(zhǔn)。使用更高的電壓可以顯著降低電纜線規(guī)尺寸，但提高電壓，也會伴隨產(chǎn)生其它問題，例如電池組的絕緣安全性、操作防護(hù)等等。當(dāng)然，XFC模式會改變很多電動車相關(guān)的配套設(shè)備/設(shè)施，這里不一一例舉。就目前電動車產(chǎn)業(yè)的工業(yè)技術(shù)水平，要實現(xiàn)XFC還需攻克下述難題：①研發(fā)先進(jìn)材料或進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)，使電纜具有更好的熱性能和電性能，以減少設(shè)備/設(shè)施熱管理的熱負(fù)荷；②研究XFC的自動化充電樁；③研究適用于輕型乘用車的400 kW功率無線傳輸技術(shù)。

圖6 充電槍質(zhì)量與充電功率及電壓間的關(guān)系[2,6]

5 極快速充電對電池及材料的要求

基于目前的電池技術(shù)，功率型和能量型電池之間的主要區(qū)別是正極和負(fù)極的厚度。較厚的電極活性材料涂層通常會導(dǎo)致更高的能量密度，即以特定的質(zhì)量或體積存儲更高的能量。無論從電池包系統(tǒng)成本還是從駕駛里程的角度看，高能量密度的電池是理想的純電動車電池。因此，在過去十年或更長時間內(nèi)的電池研發(fā)主要集中于提高電池的能量密度，即采用更高容量的材料和較厚的電極。然而，這樣的電池設(shè)計無法適應(yīng)XFC模式：與較薄的涂覆電極相比，在充電過快的情況下，較厚的電極會發(fā)生更迅速的衰減。較薄的電極雖然可以快速充放電，但電池的能量密度會下降。如圖7所示，小于100μm的電極可以進(jìn)行高倍率充放電，大于100μm的電極只能小倍率充放電。當(dāng)然影響電池倍率的設(shè)計因素有很多，這里只是用電極厚度來舉例說明。

受電化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)限制，為了讓鋰離子能夠到達(dá)電極活性材料上的所有存儲位點，往往需要較低的充電速率。一般來說，材料每單位面積的存儲空間越多，這些位點接受鋰離子所需的時間就越多。以過高的速率進(jìn)行充電，可能會使這些材料來不及接受鋰離子進(jìn)入位點，這在負(fù)極會導(dǎo)致表面上析出鋰金屬，從而引發(fā)有害的化學(xué)副反應(yīng)，增加電池溫度、生成副產(chǎn)物堆積在電極表面，繼而降低電池性能、壽命和安全性。

目前鋰離子電池中普遍使用石墨碳材料為負(fù)極，該類材料對鋰金屬的電勢很低，平均為120 mV（圖8中的1），因此以石墨為負(fù)極的鋰離子電池具有很高的電壓，比能量較高。圖8以NCM|石墨電池體系為例，顯示了鋰離子電池充放電過程中正、負(fù)極分別對鋰的電勢?？梢郧宄乜闯?，負(fù)極嵌鋰的驅(qū)動力比較小，平均只有120 mV（圖8的1）。由于驅(qū)動力小，鋰離子到達(dá)碳材料表面時嵌入內(nèi)部的速度有限，當(dāng)外加電流很大時，鋰離子來不及嵌入內(nèi)部即在材料表面與電子結(jié)合，即金屬鋰在碳負(fù)極表面沉積。這就是石墨負(fù)極在快速充電時的一個缺點。但以石墨為負(fù)極的電池進(jìn)行快速放電是沒有問題的，原因是對石墨負(fù)極而言，放電（石墨負(fù)極脫鋰）的驅(qū)動力較大，如圖8的2，其值一般大于2 V。因此提升負(fù)極嵌鋰的驅(qū)動力是研發(fā)快速充電電池的重要方向。鈦酸鋰的嵌鋰驅(qū)動力是1.5 V（. Li/Li+），遠(yuǎn)高于石墨負(fù)極的120 mV，因此碳酸鋰電池是一款非常出色的快速充電電動車電池。然而由于鈦酸鋰材料的比容量不高，僅150 mA·h左右，且脫鋰的電位高達(dá)1.5 V，因此鈦酸鋰電池的比能量低（100 W·h/kg左右），一般只有石墨負(fù)極電池的一半。這也導(dǎo)致其成本是石墨負(fù)極電池的2倍以上，嚴(yán)重制約了鈦酸鋰電池的應(yīng)用、尤其是作為純電動車電池，因為車用動力電池要求比能量高。

圖7 電極厚度與充放電速率間的關(guān)系[7]

為了同時克服鈦酸鋰電池比能量低、石墨鋰電池嵌鋰驅(qū)動力小的缺點，作者團(tuán)隊在國際上率先研發(fā)了嵌鋰電位高于石墨碳材料的高容量復(fù)合紅磷負(fù)極材料[8]，并在全球范圍內(nèi)最早申報了紅磷負(fù)極的核心發(fā)明專利[9-13]，該材料是少有的中國科研人員原創(chuàng)的鋰離子電池材料。

紅磷基負(fù)極材料的嵌鋰曲線如圖9所示。紅磷復(fù)合負(fù)極材料具有比容量高（約1400 mA·h/g）、循環(huán)性能好等優(yōu)點[14-17]，以三元材料為正極時，其全電池的比能量與石墨負(fù)極電池的比能量相當(dāng)。同時，紅磷復(fù)合負(fù)極的嵌鋰驅(qū)動力較大（0.8 V），如圖9所示，遠(yuǎn)高于石墨負(fù)極的0.12 V。隨著XFC技術(shù)的發(fā)展，紅磷復(fù)合負(fù)極材料將被證明是一款非常有前途的負(fù)極材料。

圖8 NCM|石墨鋰離子電池正負(fù)極對鋰的電極電勢示意圖

圖9 復(fù)合磷電極對鋰的電極電勢

6 結(jié) 語

為了滿足純電動車用戶的充電體驗，讓越來越多的客戶認(rèn)可純電動車，消除“里程焦慮”帶來的消極影響、發(fā)展極快速充電模式是純電動車技術(shù)發(fā)展的重要方向，但這也同時對電動車、電源系統(tǒng)及熱管理、配套設(shè)備設(shè)施、充電站、電池電芯及其關(guān)鍵材料等領(lǐng)域提出了巨大挑戰(zhàn)。

極快速充電需要達(dá)到400 kW的充電功率，大電流將產(chǎn)生大量的熱，這對系統(tǒng)熱管理以及電芯的壽命均構(gòu)成威脅。為了降低電流、減少熱管理負(fù)擔(dān)、減少大電流對配套設(shè)備/設(shè)施的沖擊，把系統(tǒng)電源提升至800～1000 V是不二的選擇。此外，開發(fā)新材料、新工藝、新設(shè)備等以滿足極快速充電的要求，也是技術(shù)發(fā)展的重要方向。

在現(xiàn)有技術(shù)體系下，快速充電模式與電芯比能量是一對很難調(diào)和的矛盾。只有采用創(chuàng)新材料才有可能解決矛盾。紅磷復(fù)合負(fù)極是一款很好的適合于快速充電的電池負(fù)極材料。既可以滿足純電動車對電池比能量高的要求，還兼具快速充電特性。

致 謝

感謝美國馬里蘭大學(xué)的王春生教授關(guān)于高倍率充電的有益的學(xué)術(shù)討論。感謝“清華大學(xué)-張家港氫能與先進(jìn)鋰電技術(shù)聯(lián)合研究中心”的支持。

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Science and engineering issues in extreme fast charging of electric vehicles powered by lithium-ion battery

WANG Li1,FENG Xuning1,HU Jianyao2,HE Xiangming1,3,TIAN Guangyu3

(1Institute of Nuclear Energy and New Energy Technology, Tsinghua University, Beijing 100084, China;2China CEPREI Laboratory, Guangzhou 510610, Guangdong, China;3State Key Laboratory of Automotive Safety and Energy, Tsinghua University, Beijing 100084, China)

The "mileage anxiety" has been plaguing the development of electric vehicle industry. Except loading batteries of high energy, consumers expect electric vehicles can be charged in 10 minutes, just as convenient and fast as fuel vehicles. Electric vehicles generally are charged between 0.5 and 2 hours as fast-charge, more than 2 hours as ordinary-slow-charging, and less than 10 minutes as called extreme-fast-charging (XFC). In this review, the science and engineering challenges in XFC, specifically for Li-ion batteries powered electric vehicles, are analyzed in terms of infrastructural equipment/facilities, battery pack/powertrain, battery thermal management, single cell design, battery chemistry and material and so on. This paper also analyzes the gap between technical status quo and XFC requirements, clarifies the technical difficulties that need to be solved in extremely fast charging. Although extremely fast charging has not yet been achieved, this paper proposes future R&D directions.

lithium ion batteries; electric vehicle; extreme fast charge; science and engineering; development trend

10.12028/j.issn.2095-4239.2018.0110

TM 912.4

A

2095-4239（2018）06-0987-07

2018-07-02；

2018-07-21。

科技部國際合作項目（2016YFE0102200）。

王莉（1977—），女，副研究員，研究方向為先進(jìn)電池材料化學(xué)與材料分析，E-mail：wang-1@tsinghua.edu.cn；

何向明，研究員，研究方向為能源材料與化工，E-mail：hexm@tsinghua.edu.cn。