張文佳 尹蓮芳 謝樂瓊 張曉峰 王莉 何向明

1? 引言

目前石油等燃料資源正在逐步枯竭，為了應對這些燃料資源短缺的問題，各行各業(yè)都開始尋找相應的替代能源，汽車行業(yè)自然也不例外，新能源電動汽車就在這一形勢下應運而生，但是面對剛出現(xiàn)的新能源電動汽車，大家最關心的莫過于其電池問題。隨著動力電池能量密度的不斷提升和成本的不斷降低，電動汽車的續(xù)航里程也在不斷增加。目前推出的電動汽車的續(xù)航里程普遍超過500km，部分中高端車型續(xù)航里程達到600km以上，消費者對于續(xù)航里程的焦慮逐步在化解，但隨之而來的問題是對充電便捷性的考量，能否像傳統(tǒng)車加油一樣實現(xiàn)快速充電，成為消費者關注的新焦點。電池快充技術就是目前解決充電便捷性的關鍵突破口，要在15min充滿60kWh或80kWh電，功率要達到240kW或者320kW，意味著一個充電樁的功率要接近一棟居民樓，電網瞬時難以承受如此大的沖擊。此外，快充高壓條件下車上電池包、電驅動、PTC、空調等都需重新適配，對供應鏈環(huán)節(jié)提出新的挑戰(zhàn)，電動汽車的安全快速充電一直是行業(yè)亟待解決的難題?？s短充電時間能夠更好的提升電動汽車的使用體驗，對于推廣電動汽車具有重要的意義。

2? 快充技術

通常來說，大部分的電動車都是采用的普通充電技術，這種普通充電的方法給電車充電，需要8～10h，而快充即快速充電，只需要1h就可以把電池充滿。一般快充的定義為在短時間內可以給電池充入大量電能，而對具體充電時間和電池荷電狀態(tài)沒有統(tǒng)一的規(guī)定。根據(jù)早期美國加州空氣資源委員會（CARB）的規(guī)定，電動汽車快速充電時間為10min（6C）。對電動汽車行業(yè)而言，快充指可以在數(shù)十分鐘，乃至幾分鐘內將電池充滿，區(qū)別于慢充的8～10h充電。

簡化概念來說實際上它采用的是大電流大功率直流電給電池充電，其原理是在快充狀態(tài)下，鋰電池中的鋰離子高速運動，瞬間嵌入到電池的兩極。實現(xiàn)方法具體如下：首先使用較寬的充電脈沖給電池進行充電，使鋰電池的端電壓升高，當達到充電系統(tǒng)設定的充電時限時，充電系統(tǒng)切斷供電電流使電池暫停充電，然后當間歇達到另一個充電點時，再重新啟動充電，將這一過程反復進行，當電池內部的鋰離子全部聚集到電池的正負電極，汽車電池也就快速充滿了。因而這種快速充電技術對電池自身要求很高，電池自身必須具備自動管理系統(tǒng)，同時要有非?？煽康臒岱€(wěn)定性且耐高壓大電流。要想實現(xiàn)這種快速充電，還必須具備相配套的充電系統(tǒng)，現(xiàn)在許多城市提供快充的充電樁功率都高達20kW及以上，能夠將10kV的高壓交流電轉換成幾百安的直流電，并且通過專用電纜源源不斷的輸送進汽車電池系統(tǒng)。

鋰電的快充問題從電芯層面而言，鋰離子電池的倍率性能一方面受到正極、電解液、負極電極材料搭配體系本征傳輸特性的制約，快充鋰離子電池材料體系選擇決定其快充能否實現(xiàn)，并最大限度保證快充安全性。另一方面從設計理念、極片工藝和電芯結構設計也對倍率性能有較大的影響。比如將電極做得比較薄或者增加導電劑比例等措施都是常用的技術手段，有些廠家采用取消電芯中的熱敏電阻并且加厚集流體這樣的極端辦法?？斐浞椒ǖ脑O計是實現(xiàn)快充的必要途徑，最后由快充電池的電池管理系統(tǒng)（BMS）的設計直接決定快充電池的應用。

3? 各大電池企業(yè)快充技術

在動力電池環(huán)節(jié)，電池快充能力取決于電芯析鋰和熱管理。快充過程中，若負極沒有高速嵌鋰能力，則會出現(xiàn)析鋰甚至鋰枝晶，進而導致電池容量不可逆衰減和縮短使用壽命。此外，電池升溫快會產生大量熱，容易短路起火，同時電解液也需要較高導電率，并且不與正負極反應，能抗高溫、阻燃、防過充。

基于此，各電池企業(yè)在快充技術研發(fā)上各顯身手。目前快充電池研發(fā)核心在材料領域，且集中為正極、負極及電解液3大維度，尤其需要提升負極鋰離子電荷交換速度和鋰離子嵌入速率。同時在極片制備、結構件過流仿真測試、快充策略制定等進行多項優(yōu)化創(chuàng)新。

3.1? 寧德時代

寧德時代新快充技術能充分發(fā)揮自主研發(fā)快充型電芯的快充性能，電芯充電速度提升1倍，可實現(xiàn)15min充滿80%荷電狀態(tài)（SOC）。目前其超快充技術已經涵蓋超電子網、快離子環(huán)、各向同性石墨、超導電解液、高孔隙隔膜、多梯度極片等。

3.1.1? 正極

正極采用超電子網充分納米化的材料表面，搭建了四通八達的電子網絡，使得正極材料對充電信號的響應速度，和鋰離子脫出速率得到大幅度提升。

3.1.2? 負極

負極采用負極導入各向同性技術，使鋰離子可360°嵌入石墨通道，顯著提升充電速度，同時修飾多孔包覆層的陽極材料表面，提供豐富的鋰離子交換所需要的活性位點，極大地提高鋰離子電荷交換速度和鋰離子的嵌入速率。

3.1.3? 電解液

電解液引入擁有超強運輸能力的超導電解液，提升鋰離子在液相和界面的傳輸速度，通過調控極片多孔結構的梯度分布，實現(xiàn)上層高孔隙率結構，下層高壓實密度結構等等。

3.2? 蜂巢能源科技有限公司

蜂巢能源科技有限公司（以下簡稱“蜂巢能源”）近期首次對外發(fā)布全新快充技術和對應的電芯，其中第2代4C快充電芯容量165Ah，能量密度大于260Wh/kg，20%～80%SOC快充時間10min，預計在2023年第2季度量產。

3.2.1? 正極

正極應用了3大技術：①前驅體定向生長精準控制技術：通過控制前驅體合成參數(shù)，一次粒徑放射狀生長，打造離子遷移“高速公路”，提高離子傳導，降低阻抗10%以上;②多梯度立體摻雜技術：體相摻雜及表面摻雜多元素協(xié)同作用，穩(wěn)定高鎳材料晶格結構，同時降低界面氧化性，循環(huán)提升20%，產氣降低30%以上;③柔性包覆技術：基于大數(shù)據(jù)分析及仿真計算，篩選適配高鎳材料體積變化大的柔性包覆材料，抑制循環(huán)顆粒粉化，產氣降低20%以上。

3.2.2? 負極

負極同樣應用了多項先進技術：①原料種類及選擇技術：選取各項同性，不同結構、不同類型的原材料進行組合，使其極片OI值由12降低為7，動力學性能得到提升;②原料破碎整形技術：采用小骨料粒徑組成二次顆粒，并復配一次顆粒，實現(xiàn)合理的粒徑搭配，降低其副反應，循環(huán)性能和存儲性能提升5%～10%;③表面改性技術：采用液相包覆技術石墨表面包覆無定形碳，降低阻抗，提升鋰離子的通道，使其阻抗降低20%;④造粒技術：精確控制粒徑間的形貌、取向等造粒技術，滿電膨脹降低膨脹3%～5%。

3.2.3? 電解液

電解液采用含硫添加劑/鋰鹽添加劑等低阻抗添加劑體系，降低正負極界面成膜阻抗。較高的鋰鹽濃度，保證電解液較高的電導率。

3.2.4? 隔膜

采用的高孔隙陶瓷膜，提升了隔膜導離子能力同時可兼顧耐熱性，達到快充及安全的平衡。

3.2.5? 其他

在極片制備、結構件過流仿真測試、快充策略制定方面等也進行了多項優(yōu)化創(chuàng)新。

3.3? 鵬輝能源

鵬輝能源推出6C快充電池產品，使用先進可靠的電池解決方案為一眾整車公司供應優(yōu)質服務，并促進超級充電樁等基礎配套設施布局，推動新能源汽車行業(yè)發(fā)展。

經過數(shù)年研發(fā)并持續(xù)攻克快充溫升高、恒流比低、能量密度低、安全性差等快充重大技術難題，鵬輝能源隆重推出具備6C持續(xù)充電性能的電芯產品。該款電芯具備6C持續(xù)充電能力，充電8min可至80%電量，充電10min可至95%，同時具有高能量密度（>200Wh/kg），電芯循環(huán)壽命可達4 000周以上，除此之外，產品在過充、熱沖擊、短路、過放、擠壓等一系列專業(yè)測試均表現(xiàn)出色，安全性滿足國標要求。

3.4? 領湃新能源

湖南領湃新能源科技有限公司（以下簡稱“領湃新能源”）通過特殊設計的離子快穿通道設計，實現(xiàn)動力電池4C充電，15min充電5%～85%SOC。未來規(guī)劃動力電池6C充電、充電時間小于10min。

領湃新能源的快充解決方案，涵蓋堡壘型正極材料、自創(chuàng)六元助推添加劑、負極圍觀打磨技術及獨家智能充電解決方案：①正極：堅固的堡壘型結構有效抑制結構坍塌，同時為鋰離子提供高效進出通道;②負極：改善碳基網絡原有結構，利于離子著陸的同時脫鋰嵌鋰更為有序且高效;③電解液：6種添加劑協(xié)同，最大化減少阻抗，改善交界處的SEI膜，實現(xiàn)電池快捷充放電;④智能充電方案：根據(jù)電池實時電量與溫度情況，智能化調控充電倍率，保障安全快速充電。

4? 車企快充技術

除動力電池企業(yè)外，部分車企快充電池布局更進一步，將觸角直接伸向了快充電池的研發(fā)。

4.1? 廣汽

廣汽的快充方案具體為：①通過使用新型導電劑，搭建高效的三維導電網絡，提高電芯導電能力，推出石墨烯超級技術，規(guī)劃推出6C—500km、3C—500km兩個版本的快充電池，2021年9月將首次搭載在廣汽埃安AION V上;②采用涂覆陶瓷隔膜和新型高功率電解液，提高電池的倍率性能和熱穩(wěn)定性，使得電芯可進行高倍率持續(xù)充電;③采用高電壓平臺，保證快速充電和高續(xù)航里程;④降低電池內阻，考慮到大電流快充引起的電芯發(fā)熱量較大的問題，廣汽將電芯內阻降低50%，6C電芯容量30Ah;⑤采用新型雙層液冷設計，常溫6C快充循環(huán)可達100萬kw。

4.2? 保時捷

保時捷正在研發(fā)硅負極取代傳統(tǒng)石墨負極的高性能電池，以獲得更高能量密度和快充性能。

5? 支持快充的國內外車型

5.1? 國際品牌

5.1.1? 起亞

起亞EV6全系車型支持400V和800V充電，電量從30%到80%僅14min;現(xiàn)代IONIQ 5最新800V高電壓平臺支持高達350kW的超大功率充電。

5.1.2? 寶馬

寶馬BMW iX xDrive50、奧迪A6e—tronConcept、奔馳EQS、福特Mustang Mach—E、大眾ID.4X、沃爾沃旗下極星Polestar 2等外資中高端新車均支持快充。

5.2? 國內品牌

5.2.1? 北汽

北汽旗下極狐全新車型阿爾法S宣布搭載華為快充技術，充電10min續(xù)航197km，充電15min電量可從30%充至80%

5.2.2? 利旗

利旗下全新品牌車型極氪001支持最高360kW超級快充;東風旗下嵐圖汽車宣布研發(fā)基于超高壓平臺的超級快充技術等。

5.2.3? 上汽

上汽集團旗下的新品牌IM智己直接邁入下一步，開啟預售的IM智己 L7支持無線快充技術，預計2022年上半年交付。

此外，小鵬P7、蔚來ET7、高合HiPhi X等新勢力全新車型也都標配快充。

6? 供應鏈配套

車企紛紛認可快充并將其納入車型標配的背后邏輯在于，電動汽車快充在電池端、供應鏈環(huán)節(jié)均有了不錯進展，能夠提供技術支撐及產品落地的可能。

在供應鏈配套環(huán)節(jié)，華為近期推出業(yè)內首個AI閃充動力域全棧高壓解決方案，基于800V左右平臺架構，包含了高壓車載充電系統(tǒng)、高壓異步電驅動系統(tǒng)、高壓同步電驅動系統(tǒng)、高壓電池管理系統(tǒng)、直流快充模塊、三電云及高壓熱管理系統(tǒng)。搭載該技術的極狐阿爾法S（HI版）可以實現(xiàn)15min充電電量從30%充至80%。預計到2025年，華為將推出1 000V電壓，600kW功率的高壓快充方案，5min即可實現(xiàn)SOC30%～80%的充電，滿足用戶“加油一般的充電體驗”。

現(xiàn)代-起亞將攜手進軍800V總成電動汽車：基于用來挑戰(zhàn)其他電動汽車制造商的E—GMP平臺架構，起亞將推出一款純電動的跨界車型，使用800V電氣系統(tǒng)。根據(jù)起亞已經透露的消息，新車的另一亮點在于直流快充最快只需20min，這足以彌補其續(xù)航稍顯不足（約480km）的小尷尬。

公布E—GMP平臺強調的幾大特點，就包含400V/800V雙規(guī)快速充電、出色的續(xù)航里程。

E—GMP平臺400V/800V雙規(guī)快充如何達成：E—GMP平臺最受關注的重點，就是400V/800V雙規(guī)快充，現(xiàn)代起亞集團稱其400V與800V兩種快充規(guī)格對應屬專利技術，無須另外裝轉接頭，快充功率可以從25kW、150kW，一路支援到最高達到350kW，能在5min增加100km續(xù)航、18min充至80%。

7? 政策配套

與此同時，政策為超快充的普及掃清了最后的障礙。充電標準、電池標準等等在不同國家諸多車企的呼吁之下走向大一統(tǒng)，充分地最大化電動汽車的推廣范圍和使用便利性。

目前被國際上廣泛接受的電動汽車直流充電技術均已樹立450kW以上的充電功率目標，如此高的功率已經打破了原有的電壓和電流的限制，為充電樁企業(yè)和車企指明了前行的方向。

8? 結語

總體來看，電動汽車快充需要產業(yè)鏈多環(huán)節(jié)的共同配合，如車端需要車載高壓系統(tǒng)提供高功率輸出，以及電池包、電驅動、PTC、空調等產業(yè)鏈配套，充電樁環(huán)節(jié)及電網則提供持續(xù)的高功率輸出等等。

需要強調的是，電動汽車快充的最終落地，單一企業(yè)孤軍奮戰(zhàn)不可能完成，不僅需要車、電池、樁三方聯(lián)動，也迫切需要整個產業(yè)鏈協(xié)同共進，共同推進電動汽車高壓快充發(fā)展。

10.19599/j.issn.1008-892x.2021.04.004