王朝阳院士：10分钟极速充电搭配中小型电池，是实现车辆电动化转型可持续发展的“黄金搭配”策略
当下，全球车辆电动化转型在电池技术不断地发展、碳排放政策日益严苛的“双轮驱动”下，进入高速发展时期。据彭博社新能源财经数据，2019 年至 2021 年期间，电动汽车的年销量从 210 万辆增长至 560 万辆。尽管如此，2021 年全球电动汽车的销量仅占新车销量的 7%，尤其在高碳排放的重型车辆领域电动车辆，其渗透率甚至不到 1%。
目前，车辆全面电动化转型还面临着电池成本、原材料可持续性、电池制造中碳排放等严峻的挑战，特别是“续航焦虑”已成为制约电动汽车发展的“关键瓶颈”。
那么，该如此解决这个难题呢？人们试图用增大电池包容量的方式缓解该问题，例如提供 ~500km 续航、采用 >80kWh 的电池包，部分车企甚至宣布将推出 150kWh 电池、续航达 1000km 的产品。
然而，单纯依靠增大电池容量来消除里程焦虑的策略，也面临诸多方面的挑战。首先，大容量电池增加了电池原材料的消耗以及电池成本。近两年来，电动汽车销量猛增以及疫情等因素引起供应链紧张，并导致电池原材料的价格不断飙升。仅 2021 年，碳酸锂价格已上涨 5 倍，而钴的价格也上涨 2 倍。
其次，由于地缘冲突，战略金属材料的供应风险越来越大。随着未来电动汽车销量的指数级增长，电池原材料尤其是紧缺金属资源的可持续供应，以及其带来的矿山过度开采、环境污染等问题亟待解决。同时，电池成本的增加将影响电动汽车的渗透率，这在二三线城市表现显著，特别是对于下沉市场。
再次，电池生产过程中的碳排放问题同样不容忽视。据统计，每 kWh 电池生产过程约排放 175kg 二氧化碳。假设 2030 年全球电动汽车销量可达 4000 万辆，车均电池容量为 80kWh，那么，2030 年单纯由动力电池生产带来的碳排放就能达到0.56G 吨。与之对比的是，2021 年全球交通领域的碳排放总量为 7.2G 吨。
图丨相关论文
单纯依靠增大电池容量来消除里程焦虑的策略“困难重重”，而车辆电动化又是发展趋势，因此，新策略成为解决上述难题的关键。
基于此，3 月 18 日，北京理工大学电动车辆国家工程研究中心杨晓光教授（孙逢春院士团队）、美国普渡大学帕萨·穆克吉（Partha Mukherjee）教授团队以及宾州州立大学王朝阳院士在 Cell 子刊 One Earth 上共同发表了题为《极速充电促进可持续电气化》（Advancements in extreme fast charging to foster sustainable electrification）的评论性文章。
该文章指出，发展 10 分钟极速充电技术，同时搭配中小型（40-55kWh）电池包，是同时解决续航焦虑、充电焦虑、成本焦虑，实现电动化转型可持续性发展的关键技术路线。
这里提及的“极速充电”，是指通过高功率（250-350kW）充电实现 10 分钟补能到 ~80%。因此，通过极速充电，可消除远距离出行的里程焦虑。同时搭配中小型电池包，其可提供 250-350km 的续航里程，以满足日常通勤需求。并且，这种策略还能显著降低电池成本、原材料消耗以及电池生产中的碳排放量。
无独有偶，近期，特斯拉 CEO 埃隆·马斯克（Elon Musk）在推特也发表了类似的观点。他强调，“特斯拉不会生产续航 600 英里（960 公里）的电动车，因为这将使得人们在 99.9% 的时间都在背负着完全不需要的电池重量。事实上，即使现在的 400 英里续航也超过了绝大多数人的需求。”
当前，动力电池的充电能力仍是制约电动汽车充电速度的瓶颈。尽管特斯拉新一代超充桩已达到 250kW 功率，欧美更是积极布局 >350kW 超充桩。当前主流电动汽车在 10-80% 电量区间的平均充电功率仅为 100-150kW。其根本原因在于，高功率充电容易诱发电池析锂，进而导致电池寿命骤降，并可能造成严重的安全事故。
图丨充电功率的演变，以及最先进的电动汽车的充电率
该文章还强调，电池快速充电必须同时满足三项指标：充电时间、快充后电池所获比能量（增加的续航里程）、电池循环寿命，三者缺一不可。然而，动力电池存在活性和稳定性的矛盾。也就是说，传统的采用高活性材料提升电池快充能力的办法通常以牺牲电池寿命和安全性为代价。因此，显然目前所使用的绝大多数电池快充方法无法满足三者的“同时兼得”。
那么，是否有更好的技术策略呢？热调控充电是解决上述活性和稳定性矛盾的极具前途的技术路线。孙逢春院士团队的杨晓光教授此前在王朝阳院士指导下研发了一种热调控极速充电技术，通过一种新颖的自加热结构将电池快速地加热至高温（~60℃）充电以消除析锂。为控制电池材料衰减，该研究通过限制电池在高温的工作时间，实现了 10 分钟充入 168Wh/kg 的比能量，且循环寿命高达 2500 次。
图丨从盐湖城开车到丹佛的总时间与具有不同电池尺寸的电动汽车
目前，热调控充电的技术路线已被业界接受，并逐渐成为快充技术的主流发展方向。从市场应用技术来看，特斯拉的新一代快充技术已通过在途预热方式，将电池加热至 45-55℃ 充电。但是，其过慢的加热速度将制约充电速度及影响其使用寿命。
根据该文章观点，未来的电池快充技术发展需要加强多层级的协同，即通过材料、电芯结构和电池管理策略的协同设计与优化以进一步提高电池的能量密度、充电速率与循环寿命。
总的来说，大力发展动力电池极速充电技术，通过 10 分钟快速补能与中小型电池包的“黄金搭配”策略，将成为实现车辆全面电动化转型的关键。
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参考:
1.Zero-Emission Vehicles Factbook, A BloombergNEF special report prepared for
COP26. (2021). BloombergNEF. November 10, 2021.
2.Battery costs rise as lithium demand outstrips supply
https://www.ft.com/content/31870961-dee4-4b79-8dca-47e78d29b420. (2022).
3.Xiao-Guang Yang et al. One Earth 5, 3, 216-219（2022）.https://doi.org/10.1016/j.oneear.2022.02.0124.Yang, X.G., Liu, T., Gao, Y., Ge, S., Leng, Y., Wang, D., and C.Y. Wang, Asymmetric Temperature Modulation for Extreme Fast Charging of Lithium-Ion Batteries, Joule 3, 1-18( 2019). https://doi.org/10.1016/j.joule.2019.09.021
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