这才是保证电池安全靠谱快充技术的正确打开方式(下)

刘冠伟

编者按:近年来,关于电池快充的大新闻很多,但是其中噱头占了大多数,真正靠谱的技术却一直处于低调的状态。尤其是近来随着汽车、手机方面的安全相关的新闻增多,大家对于快充技术的安全也越来越重视。在此前,笔者已经在文章《这才是保证电池安全靠谱的快充技术正确打开方式(上)》中做了快充的科普,介绍了快充技术对于材料、电池结构方面的要求,更多偏向于材料技术分析;而在本文中,主要想向大家介绍靠谱与不靠谱的快充电池技术的区别,并在电动大巴这一领域,分析代表厂家(微宏、CATL、银隆)动力电池的技术路线与适用性,让那些平日中一直在背后努力的电池企业揭开自己的面纱,让广大消费者更好地了解他们。

那些不靠谱的快充技术?

电池快充给我们能带来的便利其实不难想象,而近来各种各样的“几分钟几秒钟充满电”的新闻早已满天飞,其中有真有假,有的真的是技术积累的结果,有的可能更多的是用来吸眼球骗钱而已。笔者认为,不靠谱的快充技术(的报道)主要有以下几个特点:

1) 把实验室中的成果无限放大,线性外推到kWh和MWh的实用领域,这方面很多新闻还真是与科研工作者没有太大关系,很多都是新闻记者们不知道出于什么目的炮制出的大新闻。实际上稍有科研工程经验的人都知道,这之间有巨大的差异,想要实现工程化所要花费的精力非常多,笔者也懒得再与一些拿着技术前进情怀说事的人去多费口舌了:很多人鼓吹“新技术一开始都是看似不靠谱的”,孰不知有更多的不靠谱的技术早已经死掉了,不少人对于幸存者偏差(Survivorship bias)完全没有概念。

典型的被媒体炮制出的大新闻,科研人员表示很无辜

典型情怀党:情怀万岁板载,精神胜利法赛高,阴谋论逻辑想像力丰富,可是作为一名职业键盘侠连关键的“烯”字都没打对……

2)混淆主要矛盾,在该说能量密度的场合说功率,实际上电量、成本、寿命很多情况下是更为主要的矛盾,把电容(Supercapacitor更多用于快充)和电池(Battery)混淆就是一种典型的体现。

3)用各种媒体宣传的把戏,用感性的词语来忽悠:比如“震惊了”,一堆叹号,甚至用“恭喜motherland”这样的莫名其妙的名头绑架大家的认知,仿佛你不认同它就是不爱国,但是文章里面却没有任何实质性的内容。再比如笔者搜过graphenano的美国欧洲专利,发现是数目是0。而很多吹牛的电池新技术,根本没有任何具体信息:没有能量密度,没有功率密度,没有电化学反应机理,没有充放电典线,没有寿命,总之几乎什么也没有,只有一句自我鉴定的国际领先——就一句话评价吧:空口无凭。

而反观靠谱的快充电池技术,其都是有实打实的产品出现,都经历了从实验室到稳定量产的漫长过程,而且大多是大型企业出品,拥有良好的产品质量控制,在具体应用中都经历了良好的检验,并且可以看到企业的专利布局,产品的具体介绍信息。只是可惜的是,电池企业本身大多数比较低调,远没有汽车和电子消费企业这些与消费者能直接对接的行业那么擅于影响消费者打交道,或者囿于产业链中与手机企业合作的需求而刻意减少对自己的产品的宣传。

笔者认为在现在这个年代,酒香有时也怕巷子深,靠谱的电池技术理应更多的宣传自己,这样才能抢占宣传的阵地,而不会总是让一些噱头新闻抢了理应属于自己的风头。

靠谱的典型快充动力电池技术对比

笔者通过网络等途径收集了一些动力电池方面相关的信息,列于以下表中。在此处,信息主要指向的是(快充型)电动大巴车这一应用领域,其与普通乘用车应用有相似之处,但是也有一些不同,主要在于:

1) 安全要求更高,毕竟电动大巴电池用量多,载客量也多,一旦出现事故潜在的损失可能大于电动轿车。

2)质量比能量密度要求有所下降,毕竟电池用量较大但可用空间更大,可以适当地用多装电池来解决续航问题,而且公交常常是固定线路。因此在普通乘用车上里程焦虑现象更明显的磷酸铁锂在此处具有了一些新的优势。

3)成本方面作者认为与普通乘用车基本处于同一水平,依照技术路线不同有一定浮动空间。

因为条件所限,快充相关的动力电池各企业产品收集到的信息并不完全,但是可以进行初步的分析各企业的技术路线,帮助各位读者更好地了解(大巴用)动力电池快充技术和相关厂家。几家企业都是笔者非常尊敬的行业中的代表企业,都在自己的领域中扎实深耕多年,有着自己核心竞争力,在快充电池领域中是佼佼者。

微宏

微宏动力,位于浙江湖州,成立于2006年。微宏动力系统(湖州)有限公司是一家集新能源及储电技术、组合化学与化工新流程的研发、生产和销售于一体的现代化高新技术企业,于2011年率先将快速充电技术投入到商业运营中,网址为http://cn.microvast.com/。

微宏的几代产品的基本情况如下:

1) 第一代快速充电电池产品:即LρTO电池用的钛酸锂技术,在市场推广。但是钛酸锂本身1.5V左右的负极电位导致了其能量密度较低,限制了其更多的使用,因此本产品更适用于频繁停车充电的短途、固定线路公交领域。另外一个问题在于钛酸锂材料成本明显高于石墨,电池成本也水涨船高。虽然电池成本一定要综合考虑寿命、成本、性能、安全等要素,钛酸锂电池本身偏高的成本对于电动汽车、储能行业的一次投资时造成的顾虑也是不可小视的。

2) 第二代的多元复合锂电池:正极是三元材料+锰酸锂混合体系,但是把负极从钛酸锂改成了多孔复合碳作为负极材料。多孔复合碳是硬碳材料,最大的特点在于其比表面积增大到传统石墨的20倍以上,增加的比表面积与孔隙也大幅增加了锂离子的迁移和嵌入通道数量,使得锂离子能够快速、稳定地嵌入与脱出,从而解决了长期阻碍高能量密度石墨负极锂电池产品快速充电的技术瓶颈,同时大大改善快充的能力,成本相比一代也有所下降。但是该体系电池缺点是循环寿命不够长,硬碳的压实密度、克容量和首次充电效率都不太理想,此外硬碳材料的高电位也导致整个电池能量密度偏低(所以三元-硬碳体系电池能量密度肯定低于三元-石墨体系,那么低于磷酸铁锂-石墨体系也就并不是什么特别奇怪的结果了),而且三元材料体系的电池用于乘用车安全性仍需要重点关注并不断经受实践检验(笔者不敢说没问题,乘用车上用三元材料是否足够安全也是一个老话题了)。但有一点可以肯定:如果想要用在大巴上,安全风险目前还是不容忽视的底层问题。

为什么不太推荐用三元材料电池装大巴?很简单:乘用车4个门,出现事故逃生时间是几秒;而大巴电池装载量是普通乘用车的近10倍,按电池的故障概率叠乘来计算危险系数更高,并且其装载人员数量更多,对逃生的需求更紧迫。因此在大巴上使用安全系数更高的电池技术是非常靠谱的理性选择,国家之前限制三元材料电池补贴的政策其实很大程度上就是基于这样的考虑。

摘自微宏动力“不燃烧电池”发布会PPT

关于“不燃烧电池”:微宏今年初推出了其“不燃烧电池”,当时非常吸睛,引起了技术圈内的人们的广泛讨论。笔者当时在朋友间专门问询了这方面的信息,得知微宏使用了特别的电解液体系、凯夫拉纤维隔膜等一系列特别的优化技术提升了电池的安全性,这些技术对于电池发展自然比较具有借鉴和指引意义。然而比较遗憾的是,微宏没有介绍该电池的能量密度、成本等关键信息,而且从其性能和材料体系上看,恐怕这些数据乐观不了。业内也有人认为这也是在牺牲成本、能量密度来保证安全性,但是不管怎么样,技术上的进步还是值得肯定的。所以笔者更倾向于认为,不燃烧电池中的技术对于将来的技术发展会很有意义,但是是在中近期的工程化应用中,会受到成本、技术等综合方面因素的限制,变成真正的产品走向市场恐怕尚需不短的时日。

业内人士对于微宏“不燃烧电池”的评价

总结一下:

微宏动力电池倍率性能好,较为安全,对于各种环境条件适应能力好,循环寿命长,技术新。

主要问题在于:其技术路线中三元材料正极的安全性仍有不小的困难,新技术的推广面临着成本等方面的一系列问题,任重道远。

CATL

CATL即宁德时代新能源科技股份有限公司,成立于2011年,位于福建省宁德市,网址http://www.catlbattery.com/。CATL致力于通过先进的电池技术,为全球绿色能源应用,提供高效的能源存储解决方案。公司建立了动力和储能电池领域完整的研发、制造能力,拥有材料、电芯、电池系统、电池回收的全产业链核心技术。

CATL在快充电池有多年的研究和应用经验,其技术与ATL的手机快充电池技术一脉相承,但是在此方面的技术优势却一直不太为广大消费者所知,宣传力度不够可能是一个问题。实际上在电池业内,CATL的技术水平一直得到了广大技术人员的认可,在圈内知名度很高,只是在普通老百姓中没那么出名而已在近来,随着手机电池安全方面的一些新闻的爆出,CATL的产品品质逐步开始在新闻中得到更多的关注,这也进一步证明了该企业的技术实力和产品质量水平。

CATL的大巴快充电池技术主要是对于传统经典材料进行优化和挖掘潜力,保证安全性、成本以及综合性能,重视品控。CATL从手机快充电池研发开始,先后开发了几代快充负极石墨,主要是对其进行表面综合优化处理(CATL声称是“快离子环”技术),提高其在各方向接纳锂离子的能力,加快锂离子嵌入速率,降低充电时产生枝晶的倾向,而且这样改性的石墨兼顾了快充和能量密度高的优点。

而在正极方面,CATL使用的是众所周知的高安全的磷酸铁锂体系。考虑到磷酸铁锂的本征电导率不好, CATL采用了碳层包覆处理与掺杂处理,导电性能可以从本征的(10-9S/cm)提升到(10-3S/cm)优于三元材料(10-4~10-5S/cm),而对容量的影响并不大。

另外一个需要考虑的要素是电压与安全性的问题。学过电化学的人知道,电池电压越高,正极氧化性越强,与电解液的反应越剧烈。而在高温下,各种反应会加剧,电池非常怕高温下工作,发生危险的系数会很高。因此:高温+高电压最糟糕,在这一点上,磷酸铁锂本身电压就比较低(3.45V),加上CATL为其配备的与快充电池配合的温控系统,针对磷酸铁锂的充放电程度(SOC)与温度来进行优化的充电制度调整,从而进一步保证了安全性。而在磷酸铁锂VS三元材料这一老话题中,安全一直是磷酸铁锂的一大根本优势,在大巴领域中该特性的意义更为重要。

根据环境温度需要调节电池充电制度

总结一下:

CATL技术的优点在于:性能好,安全性高,成本低。安全和成本可以说是动力电池实际工程推广中的重要考虑因素,在目前阶段推广起来具有一定的综合优势。

CATL技术的主要不足在于:1)磷酸铁锂快充电池能量密度不如三元-石墨的普通能量型电池高,因此不适合用在乘用车上,只适合用在大巴上做快充。2)磷酸铁锂低温下性能不如三元,因此CATL设计了相关的循环水温控系统来缓解这方面的问题。

银隆

2009年成立的银隆新能源位于珠海,其于2010年收购美国奥钛公司,开始做钛酸锂材料涉足电池业务,2012年开始收购汽车企业生产电动汽车。银隆建立了从材料到汽车的产业链,生产的电池主要是自产自销,为在公交系统占领市场,公司专为公交做出10年承保整车替换、还搞零元购车的金融租赁商业模式。珠海银隆在2015和2016年搞了两轮融资,包括中信证券、华融资产、阳光保险、北京公交等20家品牌企业共同注资数十亿人民币。其投资方之一的北京公交也是其最大客户。

银隆的各业务平台

作为一家新能源汽车企业,纯电动车是银隆的主要销售产品,终端用户为各地公交公司,其中,北京公交集团有限公司是其第一大客户,销售额占比37.11%。尤其引人关注的是,银隆差不多占到了北京公交订单的80%。北京公交同时也是银隆的投资方之一,这可能对于银隆进入北京市场起到了重要作用。(http://www.gelonghui.com/p/87988.html)

在近来,随着格力收购银隆的消息曝出,银隆的知名度进一步提升,还带动了钛酸锂概念的火热。实际上,钛酸锂并非什么新技术,之前就已经有了大量的研究:笔者两年前在知乎上写的一个关于钛酸锂的介绍回答居然就在近来重新被翻出来送上了编辑推荐,感觉非常有趣。(https://www.zhihu.com/question/24399499/answer/27725748)。接下来,笔者将分析一下银隆的钛酸锂电池技术路线。

银隆的电池技术路线是钛酸锂快充电池,以钛酸锂为负极。与磷酸铁锂类似,钛酸锂也存在导电性差的问题。问题相似,解决思路也相同,银隆的核心技术是纳米化和掺杂的生产工艺(其他钛酸锂企业仅能做到微米级别),解决材料离子电导等方面的一系列问题。经实测,银隆电芯是2.3V,因此其采用的正极材料不是磷酸铁锂(如果钛酸锂搭配磷酸铁锂电压不到2V),也应该不是锰酸锂(如果用钛酸锂搭配锰酸锂,能量密度太低),所以其正极使用的是三元材料。三元-钛酸锂电池的倍率性能较优,此外低温性能比较好,这让它在北方极寒地区有一定的优势,安全性和寿命也比三元-石墨体系强。

但是该技术路线也有问题:

1)钛酸锂电池的突出问题仍是电压太低,与三元材料配时也最多只能到2.3V(4.2-1.5),结果就是目前成熟量产的电池能量密度很低,不如典型的以碳系材料为负极的磷酸铁锂和三元电池(3~4V)。银隆目前使用的钛酸锂电池的能量密度是70-80 Wh/Kg,系统能量接近60Wh/Kg其第四代新型钛酸锂电池有望在能量上接近磷酸铁锂电池,目前可能处在实验室阶段,后续可能放大。

钛酸锂电池本征的低电压导致的低电池能量密度,使得钛酸锂电池在汽车上装载量不可能太多,因此如果要更多考虑功率-能量(快充-续航)两因素平衡时,钛酸锂电池会很麻烦,此时磷酸铁锂和三元配石墨的技术则要好的多。如果完全不考虑里程,只装很少的电池随跑随停随充,钛酸锂倒是可以。

2)三元的产气和钛酸锂的胀气问题都很突出,通过电解液的调整,可以基本控制钛酸锂固有的胀气问题。此外能量密度及生产成本上较劣势。采用三元材料后,银隆的电芯最新能量密度提升到80Wh/kg,大约是三元-石墨电芯的一半。从电池类型来看,银隆有圆柱型电池和软包电池两类:圆柱型用钛酸锂,软包电池采用磷酸铁锂+石墨。圆柱电池的能量密度不高,电芯即使密堆积,组成电池组后浪费空间更多,因此能量密度与续航可能是一大核心问题。而如果要把钛酸锂用于制备能量密度更高的软包电池,其对胀气又很敏感,电池不能做大。也就是说,材料体系可能在一定程度上限制了其电池技术路线的发展。

3)成本,老生常谈的成本:

钛酸锂电池的成本明显高于其它体系电池,主要来自于以下几个因素:A)本身较低的能量密度;B)钛的高成本;C)钛酸锂工艺等性能上需要解决的问题,目前三元-钛酸锂电池的成本大约是三元-石墨电芯的两倍,在对于成本十分敏感的电池领域,这是一个必须要认真考虑的因素。成本高昂实际上也限制了钛酸锂电池装车时的用量,以及续航,这都是该技术路线的客观短板。

总结一下:

银隆钛酸锂电池的优点在于倍率性能好,较为安全,对于各种极端环境条件适应能力好,循环寿命长。

主要问题在于:成本偏高而且不太可能明显下降,此外电池能量密度偏低也限制了其在很多领域中的使用推广,在大多数普通环境地区应用意义不那么明显。

后记:

在本文中(上、下),笔者介绍了关于快充锂电池对材料等方面的要求,快充的意义,靠谱快充与不靠谱快充新闻的科普,以及国内典型先进电池企业的介绍和其快充技术路线的分析。快充是一种非常重要的技术,其技术含量很高,是一个从科学贯穿到工程领域的综合技术,需要很多人的共同努力才能做好。希望能有更多的人有志于投身到真正靠谱的快充技术的研发中去,做好宣传工作,并让更多的人了解、重视真正的快充技术,而不是让不靠谱的技术天天宣传自己,让朋友圈里那些打着叹号,说着“震惊了”新闻给吸引了过多的注意力。

近来某手机电池安全方面的大新闻实际上说明了一点:中国的电池不见得一定比哪个国家的差,他们的产品并非不可战胜。在此,笔者也希望中国的电池工业能进一步腾飞,做出更多世界一流的产品。

同事张亦弛对此文成文亦有贡献。


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邀请嘉宾

中国科学院物理研究所研究员 黄学杰

南京金龙首席科学家 张蒙阳

宁德时代新能源科技股份有限公司(CATL)快充项目负责人 王升威 博士

特来电智能充电事业部总经理 袁庆民

时间地点

9月27日下午14:00-17:00

第一电动网总部【地址:北京朝阳区酒仙桥中路24号院878东区写字楼四层】

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