锂离子电池快充技术进入新的发展期

张文佳 尹莲芳 谢乐琼 张晓峰 王莉 何向明

1  引言

目前石油等燃料资源正在逐步枯竭，为了应对这些燃料资源短缺的问题，各行各业都开始寻找相应的替代能源，汽车行业自然也不例外，新能源电动汽车就在这一形势下应运而生，但是面对刚出现的新能源电动汽车，大家最关心的莫过于其电池问题。随着动力电池能量密度的不断提升和成本的不断降低，电动汽车的续航里程也在不断增加。目前推出的电动汽车的续航里程普遍超过500km，部分中高端车型续航里程达到600km以上，消费者对于续航里程的焦虑逐步在化解，但随之而来的问题是对充电便捷性的考量，能否像传统车加油一样实现快速充电，成为消费者关注的新焦点。电池快充技术就是目前解决充电便捷性的关键突破口，要在15min充满60kWh或80kWh电，功率要达到240kW或者320kW，意味着一个充电桩的功率要接近一栋居民楼，电网瞬时难以承受如此大的冲击。此外，快充高压条件下车上电池包、电驱动、PTC、空调等都需重新适配，对供应链环节提出新的挑战，电动汽车的安全快速充电一直是行业亟待解决的难题。缩短充电时间能够更好的提升电动汽车的使用体验，对于推广电动汽车具有重要的意义。

2  快充技术

通常来说，大部分的电动车都是采用的普通充电技术，这种普通充电的方法给电车充电，需要8～10h，而快充即快速充电，只需要1h就可以把电池充满。一般快充的定义为在短时间内可以给电池充入大量电能，而对具体充电时间和电池荷电状态没有统一的规定。根据早期美国加州空气资源委员会（CARB）的规定，电动汽车快速充电时间为10min（6C）。对电动汽车行业而言，快充指可以在数十分钟，乃至几分钟内将电池充满，区别于慢充的8～10h充电。

简化概念来说实际上它采用的是大电流大功率直流电给电池充电，其原理是在快充状态下，锂电池中的锂离子高速运动，瞬间嵌入到电池的两极。实现方法具体如下：首先使用较宽的充电脉冲给电池进行充电，使锂电池的端电压升高，当达到充电系统设定的充电时限时，充电系统切断供电电流使电池暂停充电，然后当间歇达到另一个充电点时，再重新启动充电，将这一过程反复进行，当电池内部的锂离子全部聚集到电池的正负电极，汽车电池也就快速充满了。因而这种快速充电技术对电池自身要求很高，电池自身必须具备自动管理系统，同时要有非常可靠的热稳定性且耐高压大电流。要想实现这种快速充电，还必须具备相配套的充电系统，现在许多城市提供快充的充电桩功率都高达20kW及以上，能够將10kV的高压交流电转换成几百安的直流电，并且通过专用电缆源源不断的输送进汽车电池系统。

锂电的快充问题从电芯层面而言，锂离子电池的倍率性能一方面受到正极、电解液、负极电极材料搭配体系本征传输特性的制约，快充锂离子电池材料体系选择决定其快充能否实现，并最大限度保证快充安全性。另一方面从设计理念、极片工艺和电芯结构设计也对倍率性能有较大的影响。比如将电极做得比较薄或者增加导电剂比例等措施都是常用的技术手段，有些厂家采用取消电芯中的热敏电阻并且加厚集流体这样的极端办法。快充方法的设计是实现快充的必要途径，最后由快充电池的电池管理系统（BMS）的设计直接决定快充电池的应用。

3  各大电池企业快充技术

在动力电池环节，电池快充能力取决于电芯析锂和热管理。快充过程中，若负极没有高速嵌锂能力，则会出现析锂甚至锂枝晶，进而导致电池容量不可逆衰减和缩短使用寿命。此外，电池升温快会产生大量热，容易短路起火，同时电解液也需要较高导电率，并且不与正负极反应，能抗高温、阻燃、防过充。

基于此，各电池企业在快充技术研发上各显身手。目前快充电池研发核心在材料领域，且集中为正极、负极及电解液3大维度，尤其需要提升负极锂离子电荷交换速度和锂离子嵌入速率。同时在极片制备、结构件过流仿真测试、快充策略制定等进行多项优化创新。

3.1  宁德时代

宁德时代新快充技术能充分发挥自主研发快充型电芯的快充性能，电芯充电速度提升1倍，可实现15min充满80%荷电状态（SOC）。目前其超快充技术已经涵盖超电子网、快离子环、各向同性石墨、超导电解液、高孔隙隔膜、多梯度极片等。

3.1.1  正极

正极采用超电子网充分纳米化的材料表面，搭建了四通八达的电子网络，使得正极材料对充电信号的响应速度，和锂离子脱出速率得到大幅度提升。

3.1.2  负极

负极采用负极导入各向同性技术，使锂离子可360°嵌入石墨通道，显著提升充电速度，同时修饰多孔包覆层的阳极材料表面，提供丰富的锂离子交换所需要的活性位点，极大地提高锂离子电荷交换速度和锂离子的嵌入速率。

3.1.3  电解液

电解液引入拥有超强运输能力的超导电解液，提升锂离子在液相和界面的传输速度，通过调控极片多孔结构的梯度分布，实现上层高孔隙率结构，下层高压实密度结构等等。

3.2  蜂巢能源科技有限公司

蜂巢能源科技有限公司（以下简称“蜂巢能源”）近期首次对外发布全新快充技术和对应的电芯，其中第2代4C快充电芯容量165Ah，能量密度大于260Wh/kg，20%～80%SOC快充时间10min，预计在2023年第2季度量产。

3.2.1  正极

正极应用了3大技术：①前驱体定向生长精准控制技术：通过控制前驱体合成参数，一次粒径放射状生长，打造离子迁移“高速公路”，提高离子传导，降低阻抗10%以上;②多梯度立体掺杂技术：体相掺杂及表面掺杂多元素协同作用，稳定高镍材料晶格结构，同时降低界面氧化性，循环提升20%，产气降低30%以上;③柔性包覆技术：基于大数据分析及仿真计算，筛选适配高镍材料体积变化大的柔性包覆材料，抑制循环颗粒粉化，产气降低20%以上。

3.2.2  负极

负极同样应用了多项先进技术：①原料种类及选择技术：选取各项同性，不同结构、不同类型的原材料进行组合，使其极片OI值由12降低为7，动力学性能得到提升;②原料破碎整形技术：采用小骨料粒径组成二次颗粒，并复配一次颗粒，实现合理的粒径搭配，降低其副反应，循环性能和存储性能提升5%～10%;③表面改性技术：采用液相包覆技术石墨表面包覆无定形碳，降低阻抗，提升锂离子的通道，使其阻抗降低20%;④造粒技术：精确控制粒径间的形貌、取向等造粒技术，满电膨胀降低膨胀3%～5%。

3.2.3  电解液

电解液采用含硫添加剂/锂盐添加剂等低阻抗添加剂体系，降低正负极界面成膜阻抗。较高的锂盐浓度，保证电解液较高的电导率。

3.2.4  隔膜

采用的高孔隙陶瓷膜，提升了隔膜导离子能力同时可兼顾耐热性，达到快充及安全的平衡。

3.2.5  其他

在极片制备、结构件过流仿真测试、快充策略制定方面等也进行了多项优化创新。

3.3  鹏辉能源

鹏辉能源推出6C快充电池产品，使用先进可靠的电池解决方案为一众整车公司供应优质服务，并促进超级充电桩等基础配套设施布局，推动新能源汽车行业发展。

经过数年研发并持续攻克快充温升高、恒流比低、能量密度低、安全性差等快充重大技术难题，鹏辉能源隆重推出具备6C持续充电性能的电芯产品。该款电芯具备6C持续充电能力，充电8min可至80%电量，充电10min可至95%，同时具有高能量密度（>200Wh/kg），电芯循环寿命可达4 000周以上，除此之外，产品在过充、热冲击、短路、过放、挤压等一系列专业测试均表现出色，安全性满足国标要求。

3.4  领湃新能源

湖南领湃新能源科技有限公司（以下简称“领湃新能源”）通过特殊设计的离子快穿通道设计，实现动力电池4C充电，15min充电5%～85%SOC。未来规划动力电池6C充电、充电时间小于10min。

领湃新能源的快充解决方案，涵盖堡垒型正极材料、自创六元助推添加剂、负极围观打磨技术及独家智能充电解决方案：①正极：坚固的堡垒型结构有效抑制结构坍塌，同时为锂离子提供高效进出通道;②负极：改善碳基网络原有结构，利于离子着陆的同时脱锂嵌锂更为有序且高效;③电解液：6种添加剂协同，最大化减少阻抗，改善交界处的SEI膜，实现电池快捷充放电;④智能充电方案：根据电池实时电量与温度情况，智能化调控充电倍率，保障安全快速充电。

4  车企快充技术

除动力电池企业外，部分车企快充电池布局更进一步，将触角直接伸向了快充电池的研发。

4.1  广汽

广汽的快充方案具体为：①通过使用新型导电剂，搭建高效的三维导电网络，提高电芯导电能力，推出石墨烯超级技术，规划推出6C—500km、3C—500km两个版本的快充电池，2021年9月将首次搭载在广汽埃安AION V上;②采用涂覆陶瓷隔膜和新型高功率电解液，提高电池的倍率性能和热稳定性，使得电芯可进行高倍率持续充电;③采用高电压平台，保证快速充电和高续航里程;④降低电池内阻，考虑到大电流快充引起的电芯发热量较大的问题，广汽将电芯内阻降低50%，6C电芯容量30Ah;⑤采用新型双层液冷设计，常温6C快充循环可达100万kw。

4.2  保时捷

保时捷正在研发硅负极取代传统石墨负极的高性能电池，以获得更高能量密度和快充性能。

5  支持快充的国内外车型

5.1  国际品牌

5.1.1  起亚

起亚EV6全系车型支持400V和800V充电，电量从30%到80%仅14min;现代IONIQ 5最新800V高电压平台支持高达350kW的超大功率充电。

5.1.2  宝马

宝马BMW iX xDrive50、奥迪A6e—tronConcept、奔驰EQS、福特Mustang Mach—E、大众ID.4X、沃尔沃旗下极星Polestar 2等外资中高端新车均支持快充。

5.2  国内品牌

5.2.1  北汽

北汽旗下极狐全新车型阿尔法S宣布搭载华为快充技术，充电10min續航197km，充电15min电量可从30%充至80%

5.2.2  利旗

利旗下全新品牌车型极氪001支持最高360kW超级快充;东风旗下岚图汽车宣布研发基于超高压平台的超级快充技术等。

5.2.3  上汽

上汽集团旗下的新品牌IM智己直接迈入下一步，开启预售的IM智己 L7支持无线快充技术，预计2022年上半年交付。

此外，小鹏P7、蔚来ET7、高合HiPhi X等新势力全新车型也都标配快充。

6  供应链配套

车企纷纷认可快充并将其纳入车型标配的背后逻辑在于，电动汽车快充在电池端、供应链环节均有了不错进展，能够提供技术支撑及产品落地的可能。

在供应链配套环节，华为近期推出业内首个AI闪充动力域全栈高压解决方案，基于800V左右平台架构，包含了高压车载充电系统、高压异步电驱动系统、高压同步电驱动系统、高压电池管理系统、直流快充模块、三电云及高压热管理系统。搭载该技术的极狐阿尔法S（HI版）可以实现15min充电电量从30%充至80%。预计到2025年，华为将推出1 000V电压，600kW功率的高压快充方案，5min即可实现SOC30%～80%的充电，满足用户“加油一般的充电体验”。

现代-起亚将携手进军800V总成电动汽车：基于用来挑战其他电动汽车制造商的E—GMP平台架构，起亚将推出一款纯电动的跨界车型，使用800V电气系统。根据起亚已经透露的消息，新车的另一亮点在于直流快充最快只需20min，这足以弥补其续航稍显不足（约480km）的小尴尬。

公布E—GMP平台强调的几大特点，就包含400V/800V双规快速充电、出色的续航里程。

E—GMP平台400V/800V双规快充如何达成：E—GMP平台最受关注的重点，就是400V/800V双规快充，现代起亚集团称其400V与800V两种快充规格对应属专利技术，无须另外装转接头，快充功率可以从25kW、150kW，一路支援到最高达到350kW，能在5min增加100km续航、18min充至80%。

7  政策配套

与此同时，政策为超快充的普及扫清了最后的障碍。充电标准、电池标准等等在不同国家诸多车企的呼吁之下走向大一统，充分地最大化电动汽车的推广范围和使用便利性。

目前被国际上广泛接受的电动汽车直流充电技术均已树立450kW以上的充电功率目标，如此高的功率已经打破了原有的电压和电流的限制，为充电桩企业和车企指明了前行的方向。

8  结语

总体来看，电动汽车快充需要产业链多环节的共同配合，如车端需要车载高压系统提供高功率输出，以及电池包、电驱动、PTC、空调等产业链配套，充电桩环节及电网则提供持续的高功率输出等等。

需要强调的是，电动汽车快充的最终落地，单一企业孤军奋战不可能完成，不仅需要车、电池、桩三方联动，也迫切需要整个产业链协同共进，共同推进电动汽车高压快充发展。

10.19599/j.issn.1008-892x.2021.04.004