電動(dòng)汽車在使用中，消費(fèi)者最為擔(dān)心的還是充電時(shí)間和續(xù)航里程的問題，在目前的技術(shù)水平下，充電時(shí)間與續(xù)航里程難以兼得，因此動(dòng)力電池也就發(fā)展出了兩條路線，一種是專注續(xù)航里程的比能量派，主要是通過不斷的提高鋰離子電池的比能量，從而增加電動(dòng)汽車的續(xù)航里程；第二種是專注減少充電時(shí)間的快充派，主要是通過改善鋰離子電池的快充性能，縮短電動(dòng)汽車的充電時(shí)間。隨著技術(shù)進(jìn)步和對(duì)鋰電池材料的深入研究，快充技術(shù)曾經(jīng)遇到的難題可能也會(huì)一一迎刃而解。
●《深評(píng)問道》是什么？
《深評(píng)問道》是汽車之家首個(gè)面向行業(yè)端用戶打造的欄目，特約汽車行業(yè)資深從業(yè)者執(zhí)筆，獨(dú)家解析／揭秘行業(yè)大事件。除了熱鬧表象，我們更想向您呈現(xiàn)對(duì)事物本質(zhì)、因果以及未來可能性的探究和思考。
本期行業(yè)評(píng)論員——史晨星，獨(dú)立評(píng)論人&投資人，專注新能源汽車產(chǎn)業(yè)鏈投資并購及投后管理，現(xiàn)任東旭集團(tuán)旭江科技總經(jīng)理。
30秒讀懂全文：
●綜合多方意見，可以定義充電倍率小于1.6C為慢充，1.6C-3C為小快充，3C以上為快充。
●不同技術(shù)路線的快充型動(dòng)力電池各有優(yōu)劣，適用不同的新能源產(chǎn)品。
●三元快充電池適合乘用車，鈦酸鋰等適合客車，鈦鈮氧化物或?qū)⑹强斐湫路较颉?/p>
●目前快充型電池主要在客車領(lǐng)域應(yīng)用較多，未來快充型動(dòng)力電池的消費(fèi)結(jié)構(gòu)將會(huì)向用車、專用物流車偏移。
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一、如何理解快充？
要理解快充，一個(gè)專業(yè)術(shù)語是逃不掉的——充放電倍率C，可以簡(jiǎn)單理解為充、放電的速率。鋰離子電池的充放電倍率，決定了我們可以用多快的速度，將一定的能量存儲(chǔ)到電池里面，或者以多快的速度，將電池里面的能量釋放出來。
根據(jù)2018年新能源汽車補(bǔ)貼政策，充電倍率小于3C的屬于非快充類純電動(dòng)客車，充電倍率高于（含）3C則屬于快充類純電動(dòng)客車類。但快充的補(bǔ)貼劃分只針對(duì)新能源客車，無乘用車和物流車標(biāo)準(zhǔn)。
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根據(jù)業(yè)界及寧德時(shí)代的定義，電動(dòng)汽車快充是指充電電流大于1.6C的充電方式，也就是從0%充電到80%時(shí)間小于30分鐘的技術(shù)。筆者綜合多方意見，提出充電倍率小于1.6C為慢充，1.6C-3C為小快充，3C以上為快充。多數(shù)電動(dòng)乘用車都能達(dá)到“小快充”，快充型客車的充電倍率則大部分集中在3C-5C。
如果我們把鋰離子電池形象地比喻為一把搖椅，搖椅的兩端為電池的兩極，而鋰離子就像優(yōu)秀的運(yùn)動(dòng)健將，在搖椅的兩端來回奔跑。充電時(shí)，電池的正極上有鋰離子生成，生成的鋰離子經(jīng)過電解液運(yùn)動(dòng)到負(fù)極。作為負(fù)極的碳呈層狀結(jié)構(gòu)，它有很多微孔，以供到達(dá)負(fù)極的鋰離子嵌入。嵌入的鋰離子越多，充電容量越高。
快充時(shí)，鋰離子需要加速瞬時(shí)嵌入到負(fù)極。這對(duì)負(fù)極快速接收鋰離子的能力挑戰(zhàn)很大。普通化學(xué)體系的電池在快充時(shí)負(fù)極會(huì)出現(xiàn)副產(chǎn)物，影響電芯的循環(huán)和穩(wěn)定性。能量密度與功率密度，在同一只電池中可以說是顧此失彼的兩個(gè)方向。
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無論是國(guó)家政策導(dǎo)向還是企業(yè)技術(shù)布局，普遍追求高能量密度。當(dāng)動(dòng)力電池的能量密度足夠高，一臺(tái)車裝載電量足夠大，可以避免所謂“里程焦慮”，對(duì)于快速充電的需求就會(huì)降低。但是，電量大了，如果成本沒有降下來也很難被市場(chǎng)接受。因此，如果能在控制好電池成本的前提下，用便捷的充電能力+適用的續(xù)航里程，就能極大緩解用戶焦慮，這樣一來快充就有存在的價(jià)值。
二、不同技術(shù)路線電池的快充應(yīng)用前景
充電的快慢和動(dòng)力電池、充電樁、電動(dòng)汽車整車、電網(wǎng)等整體技術(shù)和設(shè)計(jì)要求都息息相關(guān)，其中最大的影響因素還是在于電池。我們具體來討論不同類型的動(dòng)力電池在快充技術(shù)方向上的應(yīng)用趨勢(shì)。各種正極材料幾乎都可以用來制造快充型電池，但適用性和優(yōu)劣各不相同。
1、三元快充型電池更適用于電動(dòng)乘用車
三元電池因其有較高的能量密度更受到重視，材料本身導(dǎo)電性能優(yōu)異，但反應(yīng)活性太高，因此對(duì)快充安全性提出了較大的挑戰(zhàn)。
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三元電池快充體系的代表企業(yè)有寧德時(shí)代、比克等。寧德時(shí)代研發(fā)了“超導(dǎo)電子網(wǎng)”和“快離子環(huán)”技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)15分鐘內(nèi)SOC從5%充電到85%，能量密度190Wh/kg，循環(huán)壽命超過2500次，主要應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)槌擞密�，預(yù)計(jì)2018年內(nèi)具有批量生產(chǎn)的能力。
比克今年5月最新推出的3.0高能芯通過引入硅系負(fù)極材料、高鎳正極材料，以及專門開發(fā)的電解液，其能量密度高達(dá)近250Wh/kg，可實(shí)現(xiàn)500公里超長(zhǎng)續(xù)航里程。通過充電策略設(shè)計(jì)，有效縮短充電時(shí)間，提高充電效率。在極端的應(yīng)急模式下，充電10分鐘可行駛60公里。
按照燃油車的使用習(xí)慣，要實(shí)現(xiàn)充電時(shí)間在10-20分鐘以內(nèi)完全充滿電，充電倍率至少需要3-6C之間。目前市面上的純電動(dòng)乘用車大多數(shù)是半小時(shí)到1小時(shí)充滿80%電量，比以前兩三小時(shí)的充電時(shí)間已提升了不少，未來有望進(jìn)一步壓縮到20分鐘內(nèi)。
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2、磷酸鐵鋰快充乘商均可用
磷酸鐵鋰在快充領(lǐng)域不具有先天優(yōu)勢(shì)，從材料上看，磷酸鐵鋰材料的本征電導(dǎo)率比較低，僅為三元材料的百分之一，需要對(duì)磷酸鐵鋰材料進(jìn)行導(dǎo)電性優(yōu)化才能滿足快充的需求。但磷酸鐵鋰的材料成本相對(duì)較低，結(jié)合成熟的技術(shù)背景及穩(wěn)定的產(chǎn)品性能，有較為廣泛的應(yīng)用前景，代表企業(yè)有寧德時(shí)代、沃特瑪?shù)取?/p>
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制表：汽車之家行業(yè)評(píng)論員 （據(jù)公開資料整理）
受限于理論能量密度的極值限制，磷酸鐵鋰未來在能量密度方面的發(fā)揮空間不大。但對(duì)于客車、物流車、專用車等商用車現(xiàn)已選用磷酸鐵鋰體系而言，對(duì)于能量密度的提升并不是必須的，而快充則越來越體現(xiàn)出其重要性。
3、錳酸鋰電池適用于插電式混動(dòng)客車
錳酸鋰電池具備功率性能、放電倍率性能、低溫性能好，電壓頻率高的特點(diǎn)，且在三元上游原材料瘋漲的態(tài)勢(shì)下，錳酸鋰的成本優(yōu)勢(shì)正在逐步突顯。但在能量密度、高溫性能等方面仍然需要提升。近年來，錳酸鋰快充電池在插電式混動(dòng)客車領(lǐng)域占比增長(zhǎng)顯著，代表企業(yè)為中信國(guó)安盟固利、億鵬新能源、微宏動(dòng)力。
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然而，錳酸鋰電池在高溫條件下循環(huán)性能欠佳，通過正極摻雜可以改善錳酸鋰電池高溫性能，但改性后的錳酸鋰材料已非“原來的錳酸鋰”了。業(yè)內(nèi)常用“多元復(fù)合材料”，正極采用三元材料和錳酸鋰混合體系，負(fù)極則采用多孔復(fù)合碳，進(jìn)一步提升快充的性能，但安全性仍然需要重點(diǎn)關(guān)注并不斷提升改進(jìn)。
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4、鈦酸鋰快充電池適用于純電動(dòng)客車
鈦酸鋰動(dòng)力電池是以負(fù)極材料命名，正極采用三元材料，以珠海銀隆、微宏動(dòng)力、天津捷威為典型企業(yè)。從性能來看，鈦酸鋰電池的低溫性能優(yōu)越、安全性和循環(huán)使用性能較好，作為快充電池的倍率性能也得到業(yè)界的肯定。但是鈦酸鋰目前突出的問題有兩點(diǎn)：其一，能量密度相對(duì)較低，在政策、市場(chǎng)均要求不斷提升能量密度的壓力下，當(dāng)前鈦酸鋰的市場(chǎng)份額在整個(gè)動(dòng)力電池市場(chǎng)中占比較低。其二，受高成本的小金屬材料如鈦、鎳、鈷的影響，鈦酸鋰電池成本明顯要高于其他體系。
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鈦酸鋰電池在循環(huán)壽命方面明顯優(yōu)于其他體系快充型電池，這因材料本身特性，即“零應(yīng)變”特性決定。但其劣勢(shì)明顯，能量密度較低，能量密度只有三元體系的一半左右。再加之價(jià)格偏高，目前大多是在快充公交上應(yīng)用，后續(xù)亟需尋求更高電壓的正極材料及匹配電解液來解決此缺陷。
5、快充新方向——鈦鈮氧化物負(fù)極材料
鈦鈮氧化物是基于鈦酸鋰的基礎(chǔ)上研發(fā)產(chǎn)生的，主要優(yōu)勢(shì)在于相對(duì)于鈦酸鋰?yán)碚撊萘?75mAh/g，鈦鈮氧化物的理論容量在280mAh/g左右。
2017年10月，東芝官方宣布已成功研發(fā)新一代車用鋰離子電池，有望在2019年商用。該電池采用鈦鈮氧化物材料，相對(duì)目前三元、磷酸鐵鋰等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)顛覆性進(jìn)步。新電池具備能量密度高、充電效率快等優(yōu)點(diǎn)，只需充電6分鐘就能達(dá)到90%的電量，可行駛320公里。目前鋰電池平均需30分鐘才能充至80%電量。
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此外，“石墨烯電池”的概念一直比較火熱，但行業(yè)內(nèi)也存在爭(zhēng)議。在鋰電池中應(yīng)用，石墨烯主要做負(fù)極活性材料和導(dǎo)電添加劑。單就快充能力來看，采用石墨烯作為導(dǎo)電劑，或用石墨烯包覆磷酸鐵鋰／三元鋰材料，能達(dá)到較好快充效果。但綜合成本、工藝難度等指標(biāo)來看，仍有很大挑戰(zhàn)性。
三、快充產(chǎn)品市場(chǎng)前景
能量密度高，充電快，價(jià)格便宜，這是用戶最期待的理想型動(dòng)力電池產(chǎn)品。然而“魚與熊掌不可兼得”，在現(xiàn)有的鋰離子電池體系下，倍率性能、能量密度、壽命、安全性、價(jià)格等動(dòng)力電池最重要的五個(gè)指標(biāo)都固定在比較穩(wěn)定的雷達(dá)圖里面，提高任何一個(gè)指標(biāo)，其他的指標(biāo)相對(duì)來說都會(huì)受到損失。
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目前快充動(dòng)力電池主要應(yīng)用于新能源客車，因其對(duì)城市及受眾單位選擇性強(qiáng)，即有相對(duì)財(cái)力支持的城市或單位，比較傾向于快充型電池客車。但從市場(chǎng)發(fā)展?jié)摿砜矗磥沓擞密�、專用物流車的增速及市�?chǎng)規(guī)模將高于客車，因此未來快充型動(dòng)力電池的消費(fèi)結(jié)構(gòu)將會(huì)向這兩類車型偏移。
根據(jù)電池中國(guó)數(shù)據(jù)，2017年我國(guó)快充客車產(chǎn)量6486輛，電池裝機(jī)量達(dá)597.52MWh，占新能源客車總量的6%。其中，快充客車產(chǎn)品充電倍率最高為6.42C。倍率在3C-5C車型產(chǎn)量為4771輛，電池裝機(jī)量為480.68MWh；倍率在5C-10C車型產(chǎn)量為1715輛，電池裝機(jī)量為116.84MWh。目前快充客車快充倍率主要集中在3C-5C之間。從電池類型來看，2017年快充客車的電池材料主要以鈦酸鋰為主，裝機(jī)量為571.54Mwh，占比95.65%。
根據(jù)2017年4種類型動(dòng)力電池出貨量，1.54GWh錳酸鋰部分用于插電式混動(dòng)汽車，部分滿足小快充要求，16GWh三元電池汽車部分滿足小快充要求。整體來看，三元快充電池適合乘用車，磷酸鐵鋰、鈦酸鋰等快充電池適合客車，錳酸鋰快充電池適合插電式混動(dòng)汽車，鈦鈮氧化物或是快充新方向。