光说几分钟充满,其它性能都不说的快充技术,都是耍流氓

刘冠伟

近年来,在能源转型、汽车产业弯道超车、减少化石能源依赖、治理环保的综合考虑下,我国开始大力发展动力电池和新能源汽车相关产业。国家在此方面投入了大量的人力物力财力,从科研支撑到汽车配套政策再到补贴优惠都做足了文章。在这样的大背景下,中国的动力电池相关行业迅速发展,电动汽车也开始让大家熟悉起来。随着对电动汽车的了解的增多,人们开始对于电动汽车有了越来越高的期待:期待它可以像汽油车一样便宜,一样加一次油/充一次电跑600公里,一样一次加油/充电只需要几分钟等等……在这样的期待下,科研界和工业界一直在努力向着这些方向努力。然而近几年来,细心的朋友可能发现,类似的“几分钟充满电”、“颠覆性”、“中东完了”的“大新闻”铺天盖地,但是真正算的上让人耳目一新又真正改变或即将影响我们生活的实质性进展却又没那么多。在本文中,笔者将重点以快充(比如X分钟充满电)这一视角切入,分析快充相关技术发展的现状与问题,以及相关新闻炒作的由来,供大家更好地理解快充,也可以更好地理解动力电池行业与新能源汽车行业。

什么是快充?大家为什么如此关注快充?

如果我们通俗的下定义,当然就是给电动汽车(的电池)用比较快的速率来充电。当然在这里,多快算快充,多快不算之间恐怕就没有那么明确的区分点了。但是对于一般的电池/电动汽车来讲,目前公认的快充有Teslasuper charge,大约半小时可以充80%的电,以及其它几种汽车,大概是2~3小时级。那么在这里,可以先粗略定义一下,对于电动汽车来说,快充就是小时级左右时间能充满电的制度。

而相对比,电动汽车的慢充常常长达6小时以上,因此为了想要慢充,停车过夜慢慢充电常常是必须的选择。而实际上,慢充电池也是具有电化学行业经验的人常常建议大家做的事情:简单说就是快充对于电池的质量要求很高,而且大电流下电池的反应条件过于苛刻剧烈,偏离平衡态较远,对于电池的寿命有较大的损失,安全系数会明显下降,因此没有必要的时候尽量少做。而慢充就可以很好的避免这些问题。

说到这里,笔者想加一句,其实对于手机电池,快充造成的影响基本也一样,只不过区别在于,手机这样的消费电子品淘汰快,一个手机里的电池也只值十到几十块钱,坏了大不了换,对你没什么大损失,所以手机电池用起来怎么开心怎么来就好了;而对于汽车,一辆汽车上的电池动辄价值万元,用坏了一会造成危险,二会贬值,三会影响续航,所以对于电动汽车的电池,真的应该认真使用,因为和手机完全不在一个量级上。

然而社会上的大多数人毕竟不是电化学专业出身,很多人对于汽车、电化学、电网相关的基本信息了解甚少。在对电动汽车的期待、电池的一些进展容易被外行曲解、资本方希望热炒动力电池新能源题裁等诸多因素交织下,快速充电方面形成了一个又一个的大新闻。接下来,笔者将对这几个因素进行分析,指明这些新闻产生的原因。

为什么快充新闻多?因为电池性能里单纯提升充电速度相对比较容易。

首先用自问自答的形式展开此部分。电池其实有几大核心要素,安全性,成本,能量密度,功率密度等,其中能量和功率密度常常是鱼与熊掌不可兼得的。能量密度高的电池,活性物质涂的厚,导电剂用的少,相应的在高功率的时候工作能力就差一些;而功率密度高的电池恰好相反。此时大家就可能问了,那为什么能量密度提高的新闻相比之下少很多呢?

第一电动网新闻图片

对于电池来说,往往鱼与熊掌不可兼得

很简单,因为能量密度在现有的电化学体系下,都是有理论上限值的,我们能做的就是不断逼近极限,而不可能超过,这是科学和自然规律。比如现在的NCA18650电池大概是220WH/kg基本就是接近极限的数据。想再提高?有些难,可能换材料体系,比如负极用硅是一个更好的选择。然而功率密度就不一样了如果你把能量密度牺牲一些,功率密度自然可以有所提高,而如果无限制的把材料纳米化,导电剂多加,做的材料够小够少,功率密度自然很容易再创新高,这就是我们看到的诸多纳米材料性能突破的新闻的由来,但是这很多是靠牺牲其它性能得来的,新闻里往往报喜不报忧。当然了,如果把这些材料落实到量产的电池上,要是真的只是考虑功率密度一个特性而不过多的强调其它性能,那这类电池做出来其实并没有大家想像的困难:以最近的一款新上市的某快充型充电宝为例,此电池自始至终都没说自己一节电池容量是多少,能量密度是多少Wh/kg,只是一直在强调自己可以快充充满——的确,如果自己把能量密度都牺牲了用来达到功率密度的提升,当然可以很快充满了,这算不上什么技术上的大进步

但是,如果能把功率和能量密度做一个尽量的平衡,那得到的电池就很厉害了,日韩很多厂家的高功率动力电池都具有这样的特性,产品竞争力很强,很多都可以在分钟级充放完全,能量密度、成本和安全控制也比较好,这才是我们真正要小心的对手。

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某外国厂商的高功率电池性能出色

在这里要补充一句,电池都可以快充,只是一般情况下为了安全等综合因素,大多数的手机,汽车对于充电电流都做了严格的限定,用电池管理系统BMS做了保护。所以大家不要看见了快充的新闻就兴奋,他们只是把你见的电池抠出来单独用快速充电充了一下给你看而已。当然了,可能他们电池做的不错,但是还有更多的因素需要关注,比如能量,比如成本。而且真正落实在工业中的快充技术,远不是做个充电宝,说自己几分钟充满就大功告成了,需要克服的困难还多着呢。

为了快充的大新闻,科研、工业界以及新闻界的路数?

刚才说了,能量密度是有理论上限的,超了这个上限基本相当于你当造物主重新创了一个世界,这事一听就不靠谱。既然想把能量密度踏实做上去是比较难的,那么大家更多地选择了去突破功率密度。一来功率密度算是没有理论上限的(其实也不完全见得),二是功率密度做好了很容易就演变成X分钟X秒钟充满电的大新闻,再加上锂电表兄弟超级电容的掺和(这个本来就是只为了快充放而生的,能量密度特别低,用它全装车走不了多远就要一充,希望大家明白),很容易炒出一片欣欣向荣的革命形式一片大好的一颗赛艇的景象。

科研新闻中常见的快充新闻路数有:1)做成纳米材料-高比表面积,扩散距离短,反应动力学快。2)做一个薄电极,多用导电剂,这样可以最大化功率输出。3)实验室做出一个0.1g的样品,计算一下可以7秒充满,OK,算一下能量密度,如果折合成电动汽车X度电的电池可以支持跑35公里,OK,写一个新闻。接下来进行一下相应的点评。

纳米材料-高比表面积路线,这个路数对于科研自然没问题,可惜的是对于现在的锂电工业的实际要求基本背道而驰。现在的锂电工业要求材料最好不要太细(磷酸铁锂稍有例外但是大原则也一样),微米级材料比纳米材料更受欢迎,因为其比表面积小,副反应少,浆料易于准备,电池的安全性寿命都要好一些,所以其实纳米材料在电池工业界中一直是一个争议较大的话题。而做薄电极,多用电导剂,通过牺牲能量密度的方法,自然把功率密度提上来了,基本思路就是想一白遮百丑——其实这种新闻,你只要追问他,你没报的那几个性能倒底如何,基本该技术含金量如何也就出来了。而至于那种实验室做个小样,乘以多少倍直接推出电动车可以跑35公里的人,笔者只能无奈的表示:你没在工厂值过班,没上过中试线,没做过工业,没有基本的工业素养,不懂得中国制造是怎么流血流汗地做成世界工厂的,只能说:TOO SIMPLE, SOMETIMES NAIVE.

说到这里,笔者想起自己和某厂家进行面对面交流,对方在加入某添加剂后,电池的功率性能上升,但是能量密度,不论是体积的还是质量的都下降了近10%,结果我就追问:是不是添加剂让功率性能上升的同时导致了能量密度的下降?对方忙忙辩解说这其实是两个电池,不是一回事。后来也就没有硬要让他们回答,因为已经比较明显了。

此外,使用纳米材料做高功率电池还有一个大问题,就是纳米材料比表面积大,大多相应的体积密度也低,会带来体积能量密度降低——有时甚至能直接导致体积功率密度也变得很不理想。要知道我们用的很多电池不只要求轻,还要要求小。此时光说质量相关的参数,不说体积方面的内容,无异于——耍--氓。

笔者在这里批评纳米材料,不是说这种材料的科研没有意义。实际上,人类科研中的大部分成果可能99%都会进入图书馆,只有很少的1%会形成真正的转化,推动社会的进步。但是你不能说这99%就没有意义,它对于人们丰富和深化对世界的理解,训练人才是很有意义的,但是——如果只是科研上的进步,尤其是明知其对于工业的影响促进作用有限,还非要迎合一些别有用心的资本、利益集团的企图来无限夸大自己研究的意义的话,就是他们的不对了

此处还要再插一嘴,在快充的大新闻方面,众多缺乏基本物理常识的记者写出的各种奇葩新闻稿也是一大关键贡献力量。然而表面上是如此,实际上是不是有无数炒作的资本在此后动作,通过鼓动授意记者写稿来达到宣传某些快充技术,以达到炒高股价,维系利益的目的,就是一个值得思考的有趣问题了

快充,只是材料和电池人的工作吗?

快充的电池,首先要做材料,然后要做成电池,最后要用还要落实到电动汽车的电池组,以及电网中的储能电站中。那么想要成功应用这些技术,就要一个个环节来看。

刚才的一部分说了,做电池,如果只是实验室做一个小样,薄薄一层,自然很容易。但是如果想做成一个几AH的软包或者18650电池,需要考虑的因素就已经是多方面的了:材料的成本,比表面积,能量密度,功率密度等等,做电池需要几十道工序,每一道都要严格控制条件工艺,才能做出质量上乘的产品,这也是日韩电池领先于我们的主要原因——管理控制更为严格规范。

那做出一节电池后呢?是不是这节单体电池就可以任性充电了呢?

以这里依然要引一篇老争议文:MIT CEDER教授的文章Battery materials for ultrafast charging and discharging,声称其纳米材料可以几十C,对应于1~2分钟充放完全,但是锂电泰斗GoodenoughMaugerJulien教授马上就质疑了该工作,发表了文章Unsupported claims of ultrafast charging of LiFePO4 Li-ion batteries,认为这些成果最多也就是在概念上可行而已,因为:举例60C1分钟充电)与1C60分钟充电)相比,发热量按焦耳定律计算,是3600倍!3600倍!想想你的电池会烫成什么样!而如果更快的充电,这个差别还要更大。如果把这个结果推给一辆15kWh电量的电动汽车,充电的发热量足够给好几层楼供暖。这里可以参考知乎上的一个回答:https://www.zhihu.com/question/23831848/answer/62865051

其实我在这里想说的就是一点:即使只是一节电池单体的快速充电,其要克服的困难(物理定律上的极限)也是很大的。而很多快充的文章,在此方面根本就是在挑战大家所学的初中物理知识的基础,是违背常识的。比如7秒充电跑35公里,基本就是合1000KW以上的充电功率,大概需要腿一样粗的电线……

在此处,笔者的朋友都喜欢调侃,说“总是一言不合就算充电功率”。

问题是我不算充电功率,还能先算什么?这只是第一步。

其实以上还没完,即使是单节电池大电流充电真的大丈夫,热量散的出去。可是电动车用电不是一节节单用的,是好多节电池串并得来的——电池要串联,要求必须要有极其良好的一致性,就是每节的容量都要一样,否则充电的时候,一个没充满,一个过充了,危险就会非常大。而如果此时你用的是快充而不是慢充的话……危险系数……我已经不知道要再乘几了,估计再加个平方还比较可行。今年年初挪威烧了一辆正在快充的TESLA,就是证明。快充比慢充,就是危险,这是事实

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扯句题外话,有人会在我的文章下,说一堆情怀的话,意思是XX发明出来的时候也不看好,后来不是也流行了吗,不能用保守的观点看问题BLABLABLA,总之就是情怀党:你说技术,他讲情怀。在这里我想到的是美国的总统候选人Trump,他就说拒绝把政治正确凌驾于常识之上(They put political correctness above common sense. I refuse to be politically correct." ),在此,我也想类似的说一句话:在快充方面,我拒绝把情怀凌驾于常识之上。

所以想要任性快充?你得问问电网喜欢不喜欢

其实电力系统肯定是支持电动汽车行业的发展的,这可以丰富电网的业态,提供新的增长点,产生新的服务,而且电动汽车的负荷如果优化调配,还可以配合电网的工作,降低电网的运行压力

但是问题来了,怎么叫“优化调配”呢?

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电池储能的削峰填谷作用,可以降低电网负担,电动汽车的负荷如何优化运行,也可以实现如图的效果效果

电网希望电动汽车充电,最好都在夜里可以消纳夜间的富余电能,减少电网的负担,可以起到变相的储能作用。而且电网希望电动汽车负荷接入的不要过快——单点极大负荷的接入肯定是要对电网造成很大负担的。要知道即使是一个慢充桩功率也有几KW,这已经不是一个小数目了,涉及到了很多安全用电、电网稳定、扩容等方面的问题,此时再考虑到物业、用电稳定等方面的客观原因限制,慢充满推进的不太顺利其实不难理解。而此时再换成一个几十KW功率的快充桩——电网运营一定头疼:这么大的功率忽然引入,这得给电网增加多大的负担,带来多少挑战?如果是写字楼里呢?影响了商业用电稳定,被要求索赔怎么办?工业区也一样,万一大功率电器引入影响了供电稳定,造成了工业生产损失怎么办?所以快充桩推进的更不顺利就更好理解了。

此外,电网现在很多都开始落实峰谷电价,也是为了鼓励大家在用电低峰期用电。此时,慢充是比较符合电网胃口的——可以晚上充,而且对消费者也比较实惠。而快充,大多都是在白天,此时电网负担本来就重,峰值电价对于消费者也不太划算。前几天有一个新闻“车主调查:北京城区近八成公共快充桩不能用!”:正儿八经到充电站就能充的快充桩不足3成。其实很容易解释:慢充桩运行还好,快充桩是真的有很多问题和困难。而且考虑到下一部分的观点,个人还是更支持慢充桩

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某地的峰谷电价规定明细

个人观点:对于电动汽车,能量密度>功率密度,即续航里程比快充放更为重要。

我想问大家:现在电动汽车的最主要矛盾是什么?是不是“跑不远”?

如果能续航有所提升,跑的远一点,充电慢一些是不是也可以接受呢?比如一次充电可以跑700公里,但是充电要半天左右,而慢充桩铺设又比较容易,你愿不愿意开车到500公里外的地方办事,去玩,然后充一晚上电,第二天继续办事?是不是并不困难。

然而快充呢?对电池一致、安全性,电网负担要求考验都极高,甚至连用电成本也高……频繁快充,电网受不了,电池寿命会下降,而且安全上面的隐患极大

总之,个人认为在这里,没有那么多复杂的因素要考虑:对于纯电动汽车来说,能量密度比功率密度更重要。注意,我不是说功率密度不重要不重要不重要,我只是在强调能量密度更重要更重要更重要,重要的事情说三遍。

当然,在一些其它场合,比如频繁停车的公交,比如混动汽车上,功率型电池更为合适,快充也更适合,但是这些就是另一些场景了。在本文中,将不会对这些场景展开分析,观点仍然重申一遍:对于纯电动汽车来说,能量密度比功率密度更重要。

结语:

光说自己几分钟充满,其它性能都不说,尤其是不说每WH成本,不说能量的体积/质量密度的快充技术,都是在耍流氓。快充对于电池、汽车、电网的要求非常高,个人认为相比之下,慢充更靠谱。笔者是快充黑一枚。观点仅代表本人,不代表单位立场。

作者是清华大学能源互联网创新研究院副研究员,高级工程师。2012年毕业于清华大学材料系,获工学博士学位;2011年曾赴德国TU Darmstadt学习电化学。研究领域主要为无机材料、能源材料、锂离子电池、储能技术和能源互联网。

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