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深评:从电池看新能源车快充走向何方

2018-06-20 10:10:52  来源:先驱网

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 电动汽车在使用中,消费者最为担心的还是充电时间和续航里程的问题,在目前的技术水平下,充电时间与续航里程难以兼得,因此动力电池也就发展出了两条路线,一种是专注续航里程的比能量派,主要是通过不断的提高锂离子电池的比能量,从而增加电动汽车的续航里程;第二种是专注减少充电时间的快充派,主要是通过改善锂离子电池的快充性能,缩短电动汽车的充电时间。随着技术进步和对锂电池材料的深入研究,快充技术曾经遇到的难题可能也会一一迎刃而解。

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  本期行业评论员——史晨星,独立评论人&投资人,专注新能源汽车产业链投资并购及投后管理,现任东旭集团旭江科技总经理。


 

  30秒读懂全文:

  综合多方意见,可以定义充电倍率小于1.6C为慢充,1.6C-3C为小快充,3C以上为快充。
不同技术路线的快充型动力电池各有优劣,适用不同的新能源产品。
三元快充电池适合乘用车,钛酸锂等适合客车,钛铌氧化物或将是快充新方向。
目前快充型电池主要在客车领域应用较多,未来快充型动力电池的消费结构将会向用车、专用物流车偏移。

一、如何理解快充?

  要理解快充,一个专业术语是逃不掉的——充放电倍率C,可以简单理解为充、放电的速率。锂离子电池的充放电倍率,决定了我们可以用多快的速度,将一定的能量存储到电池里面,或者以多快的速度,将电池里面的能量释放出来。

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  根据2018年新能源汽车补贴政策,充电倍率小于3C的属于非快充类纯电动客车,充电倍率高于(含)3C则属于快充类纯电动客车类。但快充的补贴划分只针对新能源客车,无乘用车和物流车标准。

2018年快充类纯电动客车补贴标准
车辆类型

中央财政补贴标准

(元/kWh)

快充倍率

中央财政单车补贴上限(万元)
快充类纯电动客车 2100 3C-5C(含) 5C-15C(含) 15C以上 6<L≤8m 8<L≤10m L>10m
中央财政补贴调整系数 4 8 13
0.8 1 1.1

  根据业界及宁德时代的定义,电动汽车快充是指充电电流大于1.6C的充电方式,也就是从0%充电到80%时间小于30分钟的技术。笔者综合多方意见,提出充电倍率小于1.6C为慢充,1.6C-3C为小快充,3C以上为快充。多数电动乘用车都能达到“小快充”,快充型客车的充电倍率则大部分集中在3C-5C。

  如果我们把锂离子电池形象地比喻为一把摇椅,摇椅的两端为电池的两极,而锂离子就像优秀的运动健将,在摇椅的两端来回奔跑。充电时,电池的正极上有锂离子生成,生成的锂离子经过电解液运动到负极。作为负极的碳呈层状结构,它有很多微孔,以供到达负极的锂离子嵌入。嵌入的锂离子越多,充电容量越高。

  快充时,锂离子需要加速瞬时嵌入到负极。这对负极快速接收锂离子的能力挑战很大。普通化学体系的电池在快充时负极会出现副产物,影响电芯的循环和稳定性。能量密度与功率密度,在同一只电池中可以说是顾此失彼的两个方向。

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  无论是国家政策导向还是企业技术布局,普遍追求高能量密度。当动力电池的能量密度足够高,一台车装载电量足够大,可以避免所谓“里程焦虑”,对于快速充电的需求就会降低。但是,电量大了,如果成本没有降下来也很难被市场接受。因此,如果能在控制好电池成本的前提下,用便捷的充电能力+适用的续航里程,就能极大缓解用户焦虑,这样一来快充就有存在的价值。

二、不同技术路线电池的快充应用前景

  充电的快慢和动力电池、充电桩、电动汽车整车、电网等整体技术和设计要求都息息相关,其中最大的影响因素还是在于电池。我们具体来讨论不同类型的动力电池在快充技术方向上的应用趋势。各种正极材料几乎都可以用来制造快充型电池,但适用性和优劣各不相同。

1、三元快充型电池更适用于电动乘用车

  三元电池因其有较高的能量密度更受到重视,材料本身导电性能优异,但反应活性太高,因此对快充安全性提出了较大的挑战。

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  三元电池快充体系的代表企业有宁德时代、比克等。宁德时代研发了“超导电子网”和“快离子环”技术,可实现15分钟内SOC从5%充电到85%,能量密度190Wh/kg,循环寿命超过2500次,主要应用领域为乘用车,预计2018年内具有批量生产的能力。

  比克今年5月最新推出的3.0高能芯通过引入硅系负极材料、高镍正极材料,以及专门开发的电解液,其能量密度高达近250Wh/kg,可实现500公里超长续航里程。通过充电策略设计,有效缩短充电时间,提高充电效率。在极端的应急模式下,充电10分钟可行驶60公里。

  按照燃油车的使用习惯,要实现充电时间在10-20分钟以内完全充满电,充电倍率至少需要3-6C之间。目前市面上的纯电动乘用车大多数是半小时到1小时充满80%电量,比以前两三小时的充电时间已提升了不少,未来有望进一步压缩到20分钟内。

部分“小快充”车型列表
车企 车型 工况续航里程 充电模式 快充时间
北汽新能源 EU5 R550 520km 慢/快充 30min充80%
吉利 帝豪GSe 353km 慢/快充 30min充80%
比亚迪 宋EV400 360km 慢/快充 40min充80%
江淮 iEVA50 400km 慢/快充 90min充80%
长安 CS15EV 300km 慢/快充 45min充80%
奇瑞 瑞虎3xe 480 400km 慢/快充 30min充80%
上汽 荣威Ei5 301km 慢/快充 40min充80%
制表:汽车之家行业评论员(据公开资料整理)

2、磷酸铁锂快充乘商均可用

  磷酸铁锂在快充领域不具有先天优势,从材料上看,磷酸铁锂材料的本征电导率比较低,仅为三元材料的百分之一,需要对磷酸铁锂材料进行导电性优化才能满足快充的需求。但磷酸铁锂的材料成本相对较低,结合成熟的技术背景及稳定的产品性能,有较为广泛的应用前景,代表企业有宁德时代、沃特玛等。

主要企业
技术路线 单体能量密度 装配车型充电倍率
宁德时代 正极“超电子网技术:采用涂碳铝箔,降低接触内阻,提升正极材料电子传输能力;负极“快离子环”技术:采用不同石墨负极颗粒混合,较高的孔隙率使保液量增大,离子通道更多,传输更快,倍率更好。 150Wh/kg 3-5C
沃特玛 正极使用粒径100~300nm磷酸铁锂材料,使锂离子拥有更快的迁移速度,能够更大倍率充放电;负极采用粒径更小的人造石墨进行碳包覆,小粒径有利于锂离子的脱离和嵌入。 130Wh/kg 3-5C
制表:汽车之家行业评论员 (据公开资料整理)

 

  受限于理论能量密度的极值限制,磷酸铁锂未来在能量密度方面的发挥空间不大。但对于客车、物流车、专用车等商用车现已选用磷酸铁锂体系而言,对于能量密度的提升并不是必须的,而快充则越来越体现出其重要性。

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