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详解快充技术对于锂电池的重要性

  锂电池分为正极和负极两个材料。我们经常说的磷酸铁锂、三元材料这些其实指的是锂电池的正极。现在在全世界有成千上万的实验室都在试图开发性能更好的锂电池,其实大家无非是想在金属氧化物中寻找一种性能更好的、容量更高、寿命更长,或者是充放电的功率更好的一些正极材料,或者是在负极上下功夫。我们通常用的比较多的锂电池的负极材料是石墨,但是最近这些年也出现了一个新的负极材料,就是钛酸锂。

详解快充技术对于锂电池的重要性

这张图只是一个引子。那么快充的核心是什么?

  在锂离子电池放电的时候,这个锂离子是从负极材料里跑出来,然后跑到正极去,这个过程其实相对来说比较容易实现,也就是说锂电池的放电功率可以做得很大。

  但是传统来说,充电就不这么容易了,充电的时候锂离子要从正极材料里跑出来,跑到负极材料里面去,这个过程相对来说比较考验负极材料,因为锂离子要快速进入负极材料,那这时候对负极材料的结构等问题都会造成破坏,所以通常来说,锂离子电池在快速充电方面表现的性能是不行的。

  但是快充却是一个很多人梦寐以求的特征,以往只有超级电容才能表现出来快充,所以要克服锂电池不能快充的特点,我们要从材料的角度去入手,想办法去提升材料特别是负极材料在充电时的性能,这就是在材料或化学基础上要做的工作。

  一、电动公交车的商业困境

详解快充技术对于锂电池的重要性

  那为什么要特别强调快充这个特征,我想先从电动车的应用端来说起。第一个在我们国家推广这个新能源车的时候,政府最容易推动的市场是电动公交车,纯公交车从奥运会开始到世博会到现在大概有六七年时间了吧,在很多城市都有应用。看一组简单的数据,这个PPT就讲到了电动公交车在商业应用中遇到的困境。

  以12米的纯电动大巴为例,公交车每天典型要跑250公里,它当然是在A点和B点之间来回地跑,典型的电耗每公里0.8度电,这辆车如果白天跑一整天的话大概要消耗200千瓦时的电量,这个电量看起来不多,但是在配置电池的时候,要考虑两个系数,第一个是电池充放电区间,电池寿命的衰减,这样的话要配置312个千瓦时的电量,再加上夏天开空调的耗能,这样一来,这个电池就要装到500千瓦时的电量才能够满足12米的大巴全天的运营。

  实际上在现在锂电池能量密度水平上,如果装配磷酸铁锂,大概500千瓦时的电池可能要6吨重, 目前的成本至少要100万以上,这样一个电池在12米在体积和重量上都装不了, 所以这个方案大家都用不了。

  通常的做法是装差不多一半的电即三百千瓦时的电量,这就导致了这个车不能实现全天的运营,通常来说在下午的时候,大巴车会回到充电站进行一次被称为快速补电的工作,这个时间通常会消耗一个小时到一个半小时,补充一部分电量,然后再完成下半段的运营。然而这个结果对公交公司而言降低了它的运营效果,因为在白天的时候有两个小时不能运行。

  那么紧接着一个问题就是,我们有没有可能采用能量密度更高的电池来完成这项工作?目前已经商业化的电池中间能量密度最高的是特斯拉用的松下18650的电芯,其电芯的能量密度达到了230瓦时每公斤,如果真的要装五百度电的话,重量大概是3.5吨,它能够满足全天的运营,而且大巴车上也基本上能装下,但是这个电池使用在公交大巴上面的一个问题就是它的寿命,它重组之后的循环寿命可能只有五百次,所以我们预计它在公交上这样使用的话每天充一次电大概只能用两到三年。

  所以我们看到在公交大巴上面使用能量型的电池试图来解决全天运营的需求,实际面临着很多工程上以及成本上的问题,要么太重,要么太贵,要么寿命不够好。

详解快充技术对于锂电池的重要性

  但我们还有另外一个思路,如果能反过来考虑这个问题,我们不装那么多的电池,而是把电池装得更少,但是使用快速充电的方法。假如我们不需要跑250公里,只需要跑一圈,比如一辆公交车从A点到B点是二十公里,那我只需要装跑二十公里的电池,然后每次到终点的时候都能够在五分钟或者十分钟之内把电充满,然后跑下一趟,那么这个方案是否也是可行的呢?我们简单测算一下,如果我们用80千瓦时的电池或者用120千瓦时的电池,那么每天快充四次或者五次、六次,每次充电时间也控制得足够短,利用司机到总站休息的时间。也就是说如果我们通过少装电池的方式,多次充电的方式也能满足公交的运营,但是它对电池提出了一个挑战,就是说电池要能够快速充电,那十分钟左右就要把电充满。另外,因为每天的充电次数会变多,比如说每天从一次变成了三四次甚至五次,那么在快充条件下,要求电池的循环寿命也会比原来更长。

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