锂电池热的"冷"思考：现今的电动汽车能快充吗？

　　8月20日辽阳一辆电动汽车着火，8月23日聊城发生电动火车着火事件，8月25日成都威马汽车起火，8月26日安徽铜陵一辆安凯电动客车着火……2018年5月到8月，公开报道的电动汽车事故多达16起，其中事故原因判断为“充电自燃”就有9起，其他事故原因包括电池故障、电器元件短路、停放中自燃等等。新能源汽车进入发展高速期，技术突破和安全性上的挑战随之而来。



　　新能源汽车主是指采用非常规的车用燃料作为动力来源的汽车，目前市面上最常见的是纯电动汽车和混合动力汽车。与普通汽车需要内燃机一样，电动汽车需要动力电池提供前进的能量，目前动力电池中最主要的类型是锂离子蓄电池。

　　“遵循科学规律，不要盲目”、“先把安全可靠的技术发展起来”，在10月17日至18日 北京举行的“中国宜春?2018全球锂电产业链高峰论坛”上，来自学界业界的人士，纷纷就锂电池发展安全性的问题，如是呼吁。

　　锂离子电池（Li-ion Battery）由锂电池（Lithium Battery）发展而来。锂电池在人们的生活中由来已久，比如纽扣电池就属于锂电池。锂电池的正极材料是二氧化锰或亚硫酰氯，负极是金属锂。电池组装完成后电池即有电压，不再充电。锂电池一般禁止充电，因为其充电放电过程中容易形成锂枝晶，造成电池内部短路。

　　1992年，日本索尼公司发明了以炭材料为负极，以含锂化合物作正极的电池，在充放电过程中，只有锂离子，没有金属锂存在，也就是现在的锂离子电池。此后，日本索尼能源开发公司和加拿大Moli能源公司分别研制成功了新型的锂离子蓄电池（以下简称“锂电池”）。目前锂电池已广泛用于各类手持式电子产品和电动汽车上。

　　对于锂电池来说，性能好坏表现在两个指标上：一个是充放电倍率，代表了电池的充电速度；一个是能量密度，决定了一辆车能续航多少公里。然而，对这两项指标的盲目追求，很大程度上牺牲的是安全系数。

　　“快速充电技术目前还没有出路”

　　“这些着火的事件，至少有60%是在充电或充电刚刚结束的时候出的事，说明充电出了大问题。” 国家863电动车重大专项动力电池测试中心主任王子冬表示。

　　锂电池在充电过程中，锂离子在两个电极之间往返嵌入和脱嵌，正极负极不发生氧化反应。但是王子冬提出，现在充电的方法和使用过程充电都是用的氧化还原反应，不是锂电池遵循自身规律应该有的充电方法。此前王子冬团队的实验结果显示，使用现在的充电方法，大概能使电池寿命降低30%。因此在这样的情况下，王子冬认为不应当考虑用大电流充电。

　　锂电池的充放电倍率是指单位额定容量内的充放电电流，例如额定容量为100Ah的电池用20A充放电时，其充放电倍率就为0.2C。一般锂电池充电电流设定在0.2C至1C之间，电流越大，充电越快，但同时电池发热现象也越严重。目前纯电动汽车的充电容量都是慢充化的，基本在0.3C到0.5C之间。另一方面，用过大的电流充电会造成容量不够满，这是因为电池内部的电化学反应需要时间。和倒啤酒的一样，倒太快会产生泡沫，反而倒不满。

　　北京大学新能源材料与技术实验室主任其鲁介绍，今天的多元正极金属复合氧化物电池要实现8分钟充电，理论上大概要用10C的倍率才能做到，“这个能量不可想象”。

　　这些技术瓶颈实际上并不是新问题，其鲁是中国锂电池研究领域的先锋人物之一，曾担任2008年奥运会清洁能源电动车用动力电池项目的首席科学家，早在北京奥运会时期，他们就针对各类问题做过各种实验。当时三元材料电池已经可以在5分钟内完成充电。在实验里，三元锂电池在快速充电的过程中，热量不能迅速释放，使得爆炸的可能性大大增加。考虑到安全问题，其鲁表示这种技术不能用到纯电动车上，只能用在电池混合动力车。

　　此外，动力电池的快充还面临着一个非常现实的问题――城市的电力基本设施无法满足个需求。假设一辆公交车用的是150kWh的电池，需要5分钟来充电，一辆公交车就需要100kW供电能力，如果同时有几百辆上千辆公交车一起充电，会对电网造成很大的冲击。

　　“今天的城市电网根本做不到这一点。”其鲁表示。

　　目前，王子冬的团队正研究充电过程中根据电池特性调整充电方法，改了不同的充电方法后，普通标准充电法充500次的电池寿命，在新方法下可以做到充电1000次，有效减缓了电池的衰减。所以王子冬表示，即便有很多瓶颈，锂电池一定会有特别适合自己的充电方法。

　　其鲁认为，现阶段最合适的是以车位为单位接线充电，两三个小时、五六个小时、甚至一个晚上，这是充电技术完全可以做到。通过先把安全可靠的充电方式发展起来，来推动电动汽车的稳步、安全、健康发展。

　　能量密度与安全性是一对矛盾

　　2018年2月，财政部、工信部等四部委联合发布《关于调整完善新能源汽车推广应用财政补贴政策的通知》，取消了对续驶里程150公里以下纯电动车的补贴，对续驶里程超过300公里的纯电动车补贴则增至3.4万元，超过400公里的车型补贴增至5万元。

　　美国加州大学戴维斯分校中国交通能源中心主任王云石分析，这意味着纯电动车在达到与汽油车类似的续驶里程后，续驶里程越长越好。新政策可能希望通过对动力电池系统能量密度的要求，来推进动力电池的发展。

　　锂电池的能量密度（Wh/kg）是指单位重量的电池能储存的能量多少，主要由电池的材料特性决定。按普通铅酸电池的能量密度约为40Wh/kg计算，如果使用铅酸电池驱动家用汽车行驶200公里以上，则需要将近1吨的电池。因此把电池重量控制在一定范围的前提下，电池的能量密度越大，汽车的续航里程就越长。

　　能量密度数值理应是越高越好，但电池是能量高度集中的小型装置，当更小体积里聚集更多能量时，如果使用不当，比如温度升高或突然遇到剧烈碰撞，其产生的后果甚至可以和炸弹相提并论。

　　根据新能源研究院真锂研究发布的最新数据，2018年6月份之后，120Wh/kg的电池包的装机量占比达到了约95%，而一年前的6月该比重仅为7.3%。也就是说国内电池系统能量密度的进步数以“惊人的速度”远远超过了海外。



　　2017-2018.8中国电动汽车乘用车产量中不同能量密度电池包的装机占比 来源：真锂研究

　　尽管在高能量密度电池包的装机数量有了极大提升，但如何平衡能量密度与安全性的问题尚未得到解决。

　　“在今天，能量密度毫无疑问和电池安全性成反比，我们还没有解决好这个问题。” 其鲁表示。

　　目前中国国内量产的锂电池，理论电芯能量密度在300到400Wh。在这个上限尚无突破办法的情况下，可以通过减磨隔膜的方式，扩大材料空间，从而提高能量密度。隔膜的作用是使电池的正、负极分隔开来，防止两极接触而短路，并让电解质离子通过。

　　“这是最简单，也是最危险的办法。”王子冬表示。

　　王子冬介绍，此前他的研究团队了解过三星Note7的着火事件，检查发现三星Note7的电池使用的隔膜约在45微米到46微米左右厚，在使用同质材料的情况下，有些动力电池制造厂商甚至在考虑用10微米、8微米厚的隔膜，在他看来这样的想法“很胆大”。

　　由于电池制造过程当中避免不了掉颗粒的现象，实际隔膜都会带些细微的“工伤”，在材料没有突破的前提下，超薄的隔膜、可燃的电解液、加上暗流涌动的枝晶，若在这一环节铤而走险便会埋下爆炸隐患。

　　“在没有掌握住锂电池的着火规律前，把控能量密度、安全性和寿命的平衡关系，是我们不能忽视的问题。”王子冬说。

　　实际上，能量密度与安全性这一“鱼与熊掌”的问题，不仅困扰着中国的锂电池技术发展，同样也困扰着业内领先的韩国和日本。来自德意志证券韩国公司的分析师Seunghoon Han表示，目前没有哪家公司敢说其技术路线是完全确定的，但每个公司都认为他们的电池是最安全的。鉴于其他很多行业都通过标准化和规范化，引导解决了很多安全问题，如今锂电池行业发展面临的这些安全问题，或许也可以需要标准化来解决。而这些发展瓶颈期的问题，并不影响快充技术和提高能量密度依然是未来的技术发展方向。

　　“只有将安全指标标准化、规范化之后，技术发展才会更容易确定哪些是更安全的，哪些是不安全的。”Han表示。

　　另一方面，高能量密度意味着需要高密度的材料，高密度的材料将会决定储存电能的大小。当一种材料能做到的厚度达到安全极限却还低于人们期望的时候，很多人将目光转向寻求新的材料。王子冬认为，如果没有材料上突破，突破高能量密度这一问题，将会在瓶颈期会停滞很长的时间，10年或50年都有可能。

　　而对于最近很火的石墨烯、纳米材料等，其鲁却并不看好。他表示，包括此前使用的硫酸亚铁锂在内，这些材料实际上都是低密度材料，而三元材料多元材料等密度则高很多，未来甚至还能将密度做得更高。

　　“从材料角度看，石墨烯导电性能好，但由材料推导到电池再推导到电动车上，概念能一样吗？”其鲁说，“纳米材料在这个领域当中不会有什么具体应用。”

　　不管是快充还是高能量密度，其鲁认为一定要戒骄戒躁、保持警惕，尤其对类似固态锂电池这类能保证能量密度、使用又安全的技术，在没有很好电导率的电解质材料出现之前，对这类电池的产业化不应抱有太多期望。

　　“我们还是要全力以赴发展出我们可行的技术，我认为最重要的是我们‘明天的技术’。”其鲁表示。