鋰電池分為正極和負(fù)極兩個(gè)材料。我們經(jīng)常說(shuō)的磷酸鐵鋰、三元材料這些其實(shí)指的是鋰電池的正極。現(xiàn)在在全世界有成千上萬(wàn)的實(shí)驗(yàn)室都在試圖開(kāi)發(fā)性能更好的鋰電池，其實(shí)大家無(wú)非是想在金屬氧化物中尋找一種性能更好的、容量更高、壽命更長(zhǎng)，或者是充放電的功率更好的一些正極材料，或者是在負(fù)極上下功夫。我們通常用的比較多的鋰電池的負(fù)極材料是石墨，但是最近這些年也出現(xiàn)了一個(gè)新的負(fù)極材料，就是鈦酸鋰。

這張圖只是一個(gè)引子。那么快充的核心是什么？

在鋰離子電池放電的時(shí)候，這個(gè)鋰離子是從負(fù)極材料里跑出來(lái)，然后跑到正極去，這個(gè)過(guò)程其實(shí)相對(duì)來(lái)說(shuō)比較容易實(shí)現(xiàn)，也就是說(shuō)鋰電池的放電功率可以做得很大。

但是傳統(tǒng)來(lái)說(shuō)，充電就不這么容易了，充電的時(shí)候鋰離子要從正極材料里跑出來(lái)，跑到負(fù)極材料里面去，這個(gè)過(guò)程相對(duì)來(lái)說(shuō)比較考驗(yàn)負(fù)極材料，因?yàn)殇囯x子要快速進(jìn)入負(fù)極材料，那這時(shí)候?qū)ω?fù)極材料的結(jié)構(gòu)等問(wèn)題都會(huì)造成破壞，所以通常來(lái)說(shuō)，鋰離子電池在快速充電方面表現(xiàn)的性能是不行的。

但是快充卻是一個(gè)很多人夢(mèng)寐以求的特征，以往只有超級(jí)電容才能表現(xiàn)出來(lái)快充，所以要克服鋰電池不能快充的特點(diǎn)，我們要從材料的角度去入手，想辦法去提升材料特別是負(fù)極材料在充電時(shí)的性能，這就是在材料或化學(xué)基礎(chǔ)上要做的工作。

一、電動(dòng)公交車的商業(yè)困境

那為什么要特別強(qiáng)調(diào)快充這個(gè)特征，我想先從電動(dòng)車的應(yīng)用端來(lái)說(shuō)起。第一個(gè)在我們國(guó)家推廣這個(gè)新能源車的時(shí)候，政府最容易推動(dòng)的市場(chǎng)是電動(dòng)公交車，純公交車從奧運(yùn)會(huì)開(kāi)始到世博會(huì)到現(xiàn)在大概有六七年時(shí)間了吧，在很多城市都有應(yīng)用。看一組簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)，這個(gè)PPT就講到了電動(dòng)公交車在商業(yè)應(yīng)用中遇到的困境。

以12米的純電動(dòng)大巴為例，公交車每天典型要跑250公里，它當(dāng)然是在A點(diǎn)和B點(diǎn)之間來(lái)回地跑，典型的電耗每公里0.8度電，這輛車如果白天跑一整天的話大概要消耗200千瓦時(shí)的電量，這個(gè)電量看起來(lái)不多，但是在配置電池的時(shí)候，要考慮兩個(gè)系數(shù)，第一個(gè)是電池充放電區(qū)間，電池壽命的衰減，這樣的話要配置312個(gè)千瓦時(shí)的電量，再加上夏天開(kāi)空調(diào)的耗能，這樣一來(lái)，這個(gè)電池就要裝到500千瓦時(shí)的電量才能夠滿足12米的大巴全天的運(yùn)營(yíng)。

實(shí)際上在現(xiàn)在鋰電池能量密度水平上，如果裝配磷酸鐵鋰，大概500千瓦時(shí)的電池可能要6噸重，目前的成本至少要100萬(wàn)以上，這樣一個(gè)電池在12米在體積和重量上都裝不了，所以這個(gè)方案大家都用不了。

通常的做法是裝差不多一半的電即三百千瓦時(shí)的電量，這就導(dǎo)致了這個(gè)車不能實(shí)現(xiàn)全天的運(yùn)營(yíng)，通常來(lái)說(shuō)在下午的時(shí)候，大巴車會(huì)回到充電站進(jìn)行一次被稱為快速補(bǔ)電的工作，這個(gè)時(shí)間通常會(huì)消耗一個(gè)小時(shí)到一個(gè)半小時(shí)，補(bǔ)充一部分電量，然后再完成下半段的運(yùn)營(yíng)。然而這個(gè)結(jié)果對(duì)公交公司而言降低了它的運(yùn)營(yíng)效果，因?yàn)樵诎滋斓臅r(shí)候有兩個(gè)小時(shí)不能運(yùn)行。

那么緊接著一個(gè)問(wèn)題就是，我們有沒(méi)有可能采用能量密度更高的電池來(lái)完成這項(xiàng)工作？目前已經(jīng)商業(yè)化的電池中間能量密度最高的是特斯拉用的松下18650的電芯，其電芯的能量密度達(dá)到了230瓦時(shí)每公斤，如果真的要裝五百度電的話，重量大概是3.5噸，它能夠滿足全天的運(yùn)營(yíng)，而且大巴車上也基本上能裝下，但是這個(gè)電池使用在公交大巴上面的一個(gè)問(wèn)題就是它的壽命，它重組之后的循環(huán)壽命可能只有五百次，所以我們預(yù)計(jì)它在公交上這樣使用的話每天充一次電大概只能用兩到三年。

所以我們看到在公交大巴上面使用能量型的電池試圖來(lái)解決全天運(yùn)營(yíng)的需求，實(shí)際面臨著很多工程上以及成本上的問(wèn)題，要么太重，要么太貴，要么壽命不夠好。

但我們還有另外一個(gè)思路，如果能反過(guò)來(lái)考慮這個(gè)問(wèn)題，我們不裝那么多的電池，而是把電池裝得更少，但是使用快速充電的方法。假如我們不需要跑250公里，只需要跑一圈，比如一輛公交車從A點(diǎn)到B點(diǎn)是二十公里，那我只需要裝跑二十公里的電池，然后每次到終點(diǎn)的時(shí)候都能夠在五分鐘或者十分鐘之內(nèi)把電充滿，然后跑下一趟，那么這個(gè)方案是否也是可行的呢？我們簡(jiǎn)單測(cè)算一下，如果我們用80千瓦時(shí)的電池或者用120千瓦時(shí)的電池，那么每天快充四次或者五次、六次，每次充電時(shí)間也控制得足夠短，利用司機(jī)到總站休息的時(shí)間。也就是說(shuō)如果我們通過(guò)少裝電池的方式，多次充電的方式也能滿足公交的運(yùn)營(yíng)，但是它對(duì)電池提出了一個(gè)挑戰(zhàn)，就是說(shuō)電池要能夠快速充電，那十分鐘左右就要把電充滿。另外，因?yàn)槊刻斓某潆姶螖?shù)會(huì)變多，比如說(shuō)每天從一次變成了三四次甚至五次，那么在快充條件下，要求電池的循環(huán)壽命也會(huì)比原來(lái)更長(zhǎng)。