不同技術(shù)路線電池的快充應(yīng)用前景

充電的快慢和動(dòng)力電池、充電樁、電動(dòng)汽車整車、電網(wǎng)等整體技術(shù)和設(shè)計(jì)要求都息息相關(guān)，其中最大的影響因素還是在于電池。我們具體來討論不同類型的動(dòng)力電池在快充技術(shù)方向上的應(yīng)用趨勢(shì)。各種正極材料幾乎都可以用來制造快充型電池，但適用性和優(yōu)劣各不相同。

1、三元快充型電池更適用于電動(dòng)乘用車

三元電池因其有較高的能量密度更受到重視，材料本身導(dǎo)電性能優(yōu)異，但反應(yīng)活性太高，因此對(duì)快充安全性提出了較大的挑戰(zhàn)。

三元電池快充體系的代表企業(yè)有寧德時(shí)代、比克等。寧德時(shí)代研發(fā)了“超導(dǎo)電子網(wǎng)”和“快離子環(huán)”技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)15分鐘內(nèi)SOC從5%充電到85%，能量密度190Wh/kg，循環(huán)壽命超過2500次，主要應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)槌擞密嚕A(yù)計(jì)2018年內(nèi)具有批量生產(chǎn)的能力。

比克今年5月最新推出的3.0高能芯通過引入硅系負(fù)極材料、高鎳正極材料，以及專門開發(fā)的電解液，其能量密度高達(dá)近250Wh/kg，可實(shí)現(xiàn)500公里超長(zhǎng)續(xù)航里程。通過充電策略設(shè)計(jì)，有效縮短充電時(shí)間，提高充電效率。在極端的應(yīng)急模式下，充電10分鐘可行駛60公里。

按照燃油車的使用習(xí)慣，要實(shí)現(xiàn)充電時(shí)間在10-20分鐘以內(nèi)完全充滿電，充電倍率至少需要3-6C之間。目前市面上的純電動(dòng)乘用車大多數(shù)是半小時(shí)到1小時(shí)充滿80%電量，比以前兩三小時(shí)的充電時(shí)間已提升了不少，未來有望進(jìn)一步壓縮到20分鐘內(nèi)。

2、磷酸鐵鋰快充乘商均可用

磷酸鐵鋰在快充領(lǐng)域不具有先天優(yōu)勢(shì)，從材料上看，磷酸鐵鋰材料的本征電導(dǎo)率比較低，僅為三元材料的百分之一，需要對(duì)磷酸鐵鋰材料進(jìn)行導(dǎo)電性優(yōu)化才能滿足快充的需求。但磷酸鐵鋰的材料成本相對(duì)較低，結(jié)合成熟的技術(shù)背景及穩(wěn)定的產(chǎn)品性能，有較為廣泛的應(yīng)用前景，代表企業(yè)有寧德時(shí)代、沃特瑪?shù)取?/p>

受限于理論能量密度的極值限制，磷酸鐵鋰未來在能量密度方面的發(fā)揮空間不大。但對(duì)于客車、物流車、專用車等商用車現(xiàn)已選用磷酸鐵鋰體系而言，對(duì)于能量密度的提升并不是必須的，而快充則越來越體現(xiàn)出其重要性。

3、錳酸鋰電池適用于插電式混動(dòng)客車

錳酸鋰電池具備功率性能、放電倍率性能、低溫性能好，電壓頻率高的特點(diǎn)，且在三元上游原材料瘋漲的態(tài)勢(shì)下，錳酸鋰的成本優(yōu)勢(shì)正在逐步突顯。但在能量密度、高溫性能等方面仍然需要提升。近年來，錳酸鋰快充電池在插電式混動(dòng)客車領(lǐng)域占比增長(zhǎng)顯著，代表企業(yè)為中信國安盟固利、億鵬新能源、微宏動(dòng)力。

然而，錳酸鋰電池在高溫條件下循環(huán)性能欠佳，通過正極摻雜可以改善錳酸鋰電池高溫性能，但改性后的錳酸鋰材料已非“原來的錳酸鋰”了。業(yè)內(nèi)常用“多元復(fù)合材料”，正極采用三元材料和錳酸鋰混合體系，負(fù)極則采用多孔復(fù)合碳，進(jìn)一步提升快充的性能，但安全性仍然需要重點(diǎn)關(guān)注并不斷提升改進(jìn)。

4、鈦酸鋰快充電池適用于純電動(dòng)客車

鈦酸鋰動(dòng)力電池是以負(fù)極材料命名，正極采用三元材料，以珠海銀隆、微宏動(dòng)力、天津捷威為典型企業(yè)。從性能來看，鈦酸鋰電池的低溫性能優(yōu)越、安全性和循環(huán)使用性能較好，作為快充電池的倍率性能也得到業(yè)界的肯定。但是鈦酸鋰目前突出的問題有兩點(diǎn)：其一，能量密度相對(duì)較低，在政策、市場(chǎng)均要求不斷提升能量密度的壓力下，當(dāng)前鈦酸鋰的市場(chǎng)份額在整個(gè)動(dòng)力電池市場(chǎng)中占比較低。其二，受高成本的小金屬材料如鈦、鎳、鈷的影響，鈦酸鋰電池成本明顯要高于其他體系。

鈦酸鋰電池在循環(huán)壽命方面明顯優(yōu)于其他體系快充型電池，這因材料本身特性，即“零應(yīng)變”特性決定。但其劣勢(shì)明顯，能量密度較低，能量密度只有三元體系的一半左右。再加之價(jià)格偏高，目前大多是在快充公交上應(yīng)用，后續(xù)亟需尋求更高電壓的正極材料及匹配電解液來解決此缺陷。

5、快充新方向——鈦鈮氧化物負(fù)極材料

鈦鈮氧化物是基于鈦酸鋰的基礎(chǔ)上研發(fā)產(chǎn)生的，主要優(yōu)勢(shì)在于相對(duì)于鈦酸鋰?yán)碚撊萘?75mAh/g，鈦鈮氧化物的理論容量在280mAh/g左右。

2017年10月，東芝官方宣布已成功研發(fā)新一代車用鋰離子電池，有望在2019年商用。該電池采用鈦鈮氧化物材料，相對(duì)目前三元、磷酸鐵鋰等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)顛覆性進(jìn)步。新電池具備能量密度高、充電效率快等優(yōu)點(diǎn)，只需充電6分鐘就能達(dá)到90%的電量，可行駛320公里。目前鋰電池平均需30分鐘才能充至80%電量。

此外，“石墨烯電池”的概念一直比較火熱，但行業(yè)內(nèi)也存在爭(zhēng)議。在鋰電池中應(yīng)用，石墨烯主要做負(fù)極活性材料和導(dǎo)電添加劑。單就快充能力來看，采用石墨烯作為導(dǎo)電劑，或用石墨烯包覆磷酸鐵鋰/三元鋰材料，能達(dá)到較好快充效果。但綜合成本、工藝難度等指標(biāo)來看，仍有很大挑戰(zhàn)性。

快充產(chǎn)品市場(chǎng)前景

能量密度高，充電快，價(jià)格便宜，這是用戶最期待的理想型動(dòng)力電池產(chǎn)品。然而“魚與熊掌不可兼得”，在現(xiàn)有的鋰離子電池體系下，倍率性能、能量密度、壽命、安全性、價(jià)格等動(dòng)力電池最重要的五個(gè)指標(biāo)都固定在比較穩(wěn)定的特種圖里面，提高任何一個(gè)指標(biāo)，其他的指標(biāo)相對(duì)來說都會(huì)受到損失。

目前快充動(dòng)力電池主要應(yīng)用于新能源客車，因其對(duì)城市及受眾單位選擇性強(qiáng)，即有相對(duì)財(cái)力支持的城市或單位，比較傾向于快充型電池客車。但從市場(chǎng)發(fā)展?jié)摿砜矗磥沓擞密嚒Ｓ梦锪鬈嚨脑鏊偌笆袌?chǎng)規(guī)模將高于客車，因此未來快充型動(dòng)力電池的消費(fèi)結(jié)構(gòu)將會(huì)向這兩類車型偏移。

根據(jù)電池中國數(shù)據(jù)，2017年我國快充客車產(chǎn)量6486輛，電池裝機(jī)量達(dá)597.52MWh，占新能源客車總量的6%。其中，快充客車產(chǎn)品充電倍率最高為6.42C。倍率在3C-5C車型產(chǎn)量為4771輛，電池裝機(jī)量為480.68MWh;倍率在5C-10C車型產(chǎn)量為1715輛，電池裝機(jī)量為116.84MWh。目前快充客車快充倍率主要集中在3C-5C之間。從電池類型來看，2017年快充客車的電池材料主要以鈦酸鋰為主，裝機(jī)量為571.54Mwh，占比95.65%。

根據(jù)2017年4種類型動(dòng)力電池出貨量，1.54GWh錳酸鋰部分用于插電式混動(dòng)汽車，部分滿足小快充要求，16GWh三元電池汽車部分滿足小快充要求。整體來看，三元快充電池適合乘用車，磷酸鐵鋰、鈦酸鋰等快充電池適合客車，錳酸鋰快充電池適合插電式混動(dòng)汽車，鈦鈮氧化物或是快充新方向。