在電動(dòng)汽車越來(lái)越普及的今天，生活中經(jīng)常會(huì)見到各種品牌各種檔次的電動(dòng)汽車，隨著產(chǎn)品線的不斷延展，EV市場(chǎng)不斷細(xì)分，比如最近頻頻發(fā)布的純電動(dòng)SUV，包括云度π1，Tesla model X，BYD宋等車型。絕大多數(shù)消費(fèi)者日常行駛距離不足80km，但卻希望續(xù)航里程能達(dá)到500km以上，為何純電動(dòng)還是叫好不叫座呢，究其根本原因還是因?yàn)榧冸妱?dòng)汽車技術(shù)的進(jìn)步還未能達(dá)到預(yù)期，最重要的就是續(xù)航里程無(wú)法滿足用戶需求，充電速度趕不上加油速度。

圖1 主流車型最大續(xù)航里程統(tǒng)計(jì)

這里就要提到一個(gè)概念“里程焦慮”，就是指駕駛電動(dòng)汽車時(shí)因擔(dān)心突然沒電引起的精神痛苦或憂慮。那么如何化解里程焦慮呢?今天就從電池的角度去解讀下。

化解里程焦慮最直接的就是提高電動(dòng)汽車的續(xù)航里程，核心就是提高電池組和單體電池的能量密度，另外就是做快充電池例如東芝最近推出的超級(jí)快充鈦鈮電池。

接下來(lái)詳細(xì)談一談如何從電池的角度解決里程焦慮，

我們可以看下若特斯拉model S或者model X 18650電池替換為最新的21700電池，續(xù)航里程的增加情況：電池容量增幅估計(jì)為30%，由于21700的體積比18650增加46%，考慮電池體積增加與容量的非線性關(guān)系并作保守估計(jì)取為30%的電池容量增幅。

圖2 18650換裝21700續(xù)航預(yù)測(cè)

目前主流動(dòng)力電池企業(yè)能量密度都已突破180wh/kg,以云度π1搭載的比克18650圓柱電池為例，其能量密度已經(jīng)接近250wh/kg。下圖是比克在圓柱電池體系的開發(fā)路線圖。

圖3 比克圓柱電池開發(fā)路線圖

由上面路線圖可以看出，其實(shí)想要提高能量密度還是要從電池材料上下功夫。下面分幾個(gè)重要的方向詳細(xì)聊聊電池能量密度的提升。

正極

從正極的角度考慮，目前使用克容量更高的高Ni三元材料NCM622,811或者更高容量大NCA材料是電池企業(yè)的必經(jīng)之路。

另外一點(diǎn)，開發(fā)高電壓正極三元材料對(duì)于提升能量密度也會(huì)有顯著的效果，下圖列舉了不同比例的NCM三元材料在20Ah軟包電池中不同上限電壓下所能達(dá)到的能量密度。

圖4 NCM材料不同電壓和負(fù)極下的能量密度對(duì)比

目前高電壓體系還是有一些問題沒有解決，比如對(duì)循環(huán)壽命的影響。以下是高Ni體系600次常溫循環(huán)后不同上限電壓的容量保持率對(duì)比。高溫循環(huán)衰減更為嚴(yán)重。

圖5 高Ni體系NCM不同電壓循環(huán)保持率對(duì)比

最后我認(rèn)為非常重要的就是在正極體系設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量減少非活性物質(zhì)的使用量比如binder，導(dǎo)電炭等。這就要求輔助材料等性能需要進(jìn)一步提升才能減少用量，比如超高粘結(jié)力的PVDF和SWCNT等材料的應(yīng)用。借此，三元體系loading可以做到接近99%等水平。

負(fù)極

傳統(tǒng)的石墨類負(fù)極材料已經(jīng)不能滿足能量密度增長(zhǎng)的需求，從負(fù)極的角度考慮提升能量密度產(chǎn)業(yè)界也已經(jīng)達(dá)成一致，那就是采用硅負(fù)極體系。

圖6 硅復(fù)合負(fù)極與常規(guī)石墨對(duì)比

圖7 日立化成硅復(fù)合材料數(shù)據(jù)對(duì)比

硅材料的比容量4000mAh/g固然高的超乎想象，但純硅還是無(wú)法產(chǎn)業(yè)化，主要原因是：體積膨脹達(dá)300%以上，材料粉化脫膜循環(huán)衰減非常嚴(yán)重;導(dǎo)電性差，不可逆容量大，首次效率很低。

所以需要很好的解決以上兩點(diǎn)問題才能大規(guī)模使用硅負(fù)極材料，最好的辦法就是硅與碳形成的復(fù)合材料，因?yàn)樘疾牧暇哂休^高的電子電導(dǎo)與離子電導(dǎo)，可改善硅基材料的倍率性能，抑制硅在循環(huán)過(guò)程中的體積變化;同時(shí)，碳也能貢獻(xiàn)一定容量。目前最適合作為硅碳復(fù)合材料基質(zhì)的碳主要有石墨、中間相碳微球、石墨烯和碳納米管等。

適合商業(yè)化的目前分為兩類硅碳復(fù)合材料SiO和SiC,為了兼顧成本和性能，需要與商業(yè)化負(fù)極石墨材料混用。目前商業(yè)化的Si負(fù)極材料大多用于圓柱型電池體系，因?yàn)榕駧み€是無(wú)法與普通石墨達(dá)到相同水平，有圓柱鋼殼束縛極片結(jié)構(gòu)，電芯的循環(huán)壽命可以得到很好的發(fā)揮。負(fù)極容量400以上的18650-3300mAh循環(huán)性能可以做到1000次左右了。

圖8 高容量18650常溫循環(huán)數(shù)據(jù)

另外，與正極材料一樣，提高活性材料的loading，降低導(dǎo)電劑，粘結(jié)劑的使用量也是非常重要的方面。

隔膜

隔膜在鋰電池中扮演著正負(fù)極絕緣體、離子導(dǎo)電體、離子自由傳導(dǎo)的角色，可以提升鋰電池的安全。隨著正負(fù)極能量密度的不斷提高，隔膜性能也必須增強(qiáng)。從隔膜的角度去提升電池能量密度，可能作用不是很大，各個(gè)隔膜公司都相繼推出了適用于高能量密度電池體系的20um以下的高安全性涂覆隔膜。從理想化的角度說(shuō)，更薄但強(qiáng)度又更好的隔膜是提升并保證高能量密度的關(guān)鍵，從隔膜孔隙結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，較小的孔徑和更均勻的孔徑分布有助于更長(zhǎng)的循環(huán)壽命。

快充技術(shù)

快充技術(shù)對(duì)于解決里程焦慮可以說(shuō)是立竿見影的，以下是快充和慢充的區(qū)別。

圖9 快充和慢充

由于電動(dòng)汽車電池需要更大的充電功率，因此一般充電情況下要先將家庭220V交流電轉(zhuǎn)換為500V直流電，整個(gè)充電時(shí)長(zhǎng)一般6~8小時(shí)。電動(dòng)汽車快充是直接以大功率直流電來(lái)對(duì)電池進(jìn)行充電，在30分鐘左右可以充 電至80%。為保護(hù)電池安全，超過(guò)80%后充電電流必須變小，充到100%需要較長(zhǎng)時(shí)間。因此，由于需要特定的快速充電設(shè)備，電動(dòng)汽車生產(chǎn)廠商通常擁有自己的快速充電樁或快速充電站以滿足消費(fèi)者的需求。

超級(jí)充電站是特斯拉主推的充電方式，其充電速度是三種方式中最快的，充電電壓為380V，充電電流最大可接近200A，充電1小時(shí)足夠行駛約350公里，整個(gè)充 電過(guò)程最快能在一小時(shí)左右時(shí)間內(nèi)完成。

開發(fā)新型先進(jìn)電池

下一代更高能量密度>300Wh/kg的電池也都在開發(fā)中，如固態(tài)電池，鋰硫電池等。

圖10 高比能量電池技術(shù)

結(jié)語(yǔ)

隨著電池電機(jī)電控技術(shù)的發(fā)展我相信純電動(dòng)汽車會(huì)越來(lái)越普及，里程焦慮的問題肯定會(huì)得到妥善的解決。當(dāng)然這離不開產(chǎn)業(yè)鏈如電池原材料，電池設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，充電設(shè)施等各個(gè)環(huán)節(jié)共同努力。剩下的只是一個(gè)時(shí)間問題。