對(duì)于鋰離子電池純電動(dòng)汽車，充電難目前仍然是個(gè)很大的問(wèn)題，因而“快充”也成了很多廠家的噱頭。筆者個(gè)人認(rèn)為，鋰電的快充問(wèn)題需要從兩個(gè)層次進(jìn)行分析。

從電芯層面而言，鋰離子電池的倍率性能一方面受到正極/電解液/負(fù)極電極材料搭配體系本征傳輸特性的制約，另一方面極片工藝和電芯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也對(duì)倍率性能有較大影響。

但是從最本征的載流子傳導(dǎo)與輸運(yùn)行為而言，鋰電并不適合“快充”。鋰電體系的本征載流子傳導(dǎo)與輸運(yùn)行為取決于正負(fù)極材料的電導(dǎo)與鋰離子擴(kuò)散系數(shù)以及有機(jī)電解液的電導(dǎo)率這幾個(gè)主要因素。基于嵌入式反應(yīng)機(jī)理，鋰離子在正極材料(一維離子通道的橄欖石，二維通道的層狀材料和三維通道的尖晶石正極材料)和負(fù)極石墨負(fù)極材料(層狀結(jié)構(gòu))中的擴(kuò)散系數(shù)普遍比水系二次電池中的異相氧化還原反應(yīng)的速率常數(shù)低數(shù)個(gè)數(shù)量級(jí)。

而且，有機(jī)電解液的離子電導(dǎo)率比水系二次電池電解液(強(qiáng)酸或者強(qiáng)堿)低兩個(gè)數(shù)量級(jí)。鋰電的負(fù)極表面有一層SEI膜，實(shí)際上鋰電的倍率性能很大程度上受到鋰離子在SEI膜中擴(kuò)散的控制。由于有機(jī)電解液中粉末電極的極化相對(duì)水系要嚴(yán)重得多，在高倍率或者低溫條件下負(fù)極表面容易析鋰而帶來(lái)嚴(yán)重的安全隱患。

另外，在大倍率充電條件下，正極材料的晶格容易受到破壞，負(fù)極石墨片層同樣也可能受到損害，這些因素都將加速容量的衰減，從而嚴(yán)重影響動(dòng)力電池使用壽命。因此，嵌入式反應(yīng)的本質(zhì)特征決定了鋰離子電池并不適合高倍率充電。研究結(jié)果已經(jīng)證實(shí)，快充快放模式下單體電池的循環(huán)壽命將大幅下降，并且在使用后期電池性能顯著衰減。

當(dāng)然了有讀者可能會(huì)說(shuō)，鈦酸鋰(LTO)電池不是可以大倍率充放電嗎?

鈦酸鋰的倍率性能可以從其晶體結(jié)構(gòu)和離子擴(kuò)散系數(shù)得到解釋。但是，鈦酸鋰電池的能量密度很低，其功率型用途是依靠犧牲能量密度取得的，這就導(dǎo)致了鈦酸鋰電池單位能量($/Wh)成本很高，低性價(jià)比決定了鈦酸鋰電池不可能成為鋰電發(fā)展的主流。事實(shí)上，日本東芝SCiB電池這幾年低迷的銷售態(tài)勢(shì)已經(jīng)說(shuō)明了問(wèn)題。

在電芯層面，可以從極片工藝和電芯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度來(lái)改善倍率性能，比如將電極做得比較薄或者增加導(dǎo)電劑比例等措施都是常用的技術(shù)手段。更有甚者，甚至有廠家采用取消電芯中的熱敏電阻并且加厚集流體這樣的極端辦法。而事實(shí)上，國(guó)內(nèi)很多動(dòng)力電池公司都將其LFP動(dòng)力電池在30C甚至50C的高倍率數(shù)據(jù)作為技術(shù)亮點(diǎn)。

筆者這里要指出的是，作為測(cè)試手段無(wú)可厚非，但是電芯內(nèi)部到底發(fā)生了哪些變化才是關(guān)鍵。長(zhǎng)時(shí)間高倍率充放，也許正負(fù)極材料結(jié)構(gòu)已經(jīng)被破壞，負(fù)極早已析鋰，這些問(wèn)題需要使用一些原位(In-Situ)的檢測(cè)手段(比如SEM,XRD和中子衍射等)才能搞清楚。很遺憾的是，這些原位檢測(cè)手段在國(guó)內(nèi)電池企業(yè)幾乎沒(méi)有應(yīng)用的報(bào)道。

筆者這里還要提醒讀者注意鋰電充電和放電過(guò)程的區(qū)別，與充電過(guò)程不同的是，鋰電在較高的倍率下放電(對(duì)外做功)對(duì)電池造成的損害并沒(méi)有快充那么嚴(yán)重，這點(diǎn)跟其它水系二次電池類似。但是對(duì)電動(dòng)汽車的實(shí)際使用而言，高倍率充電(快充)的需求無(wú)疑要比大電流放電更加迫切。

上升到電池組的層面則情況將更加復(fù)雜，在充電過(guò)程中不同單體電池的充電電壓和充電電流并不一致，必然造成動(dòng)力電池的充電時(shí)間要超過(guò)單體電池。這就意味著雖然采用常規(guī)充電技術(shù)也能在30分鐘內(nèi)將單體電池充電至容量的一半，但電池組肯定會(huì)超過(guò)這一時(shí)間，這在一定程度上意味著快速充電技術(shù)的優(yōu)勢(shì)并不是十分明顯。

另外，在鋰離子電池的使用(放電)過(guò)程中，其容量的消耗與放電時(shí)間并不是線性關(guān)系而是隨時(shí)間加速下降。比如某款電動(dòng)汽車滿電的行駛里程為200公里，那當(dāng)它正常行駛100公里后，動(dòng)力電池可能還剩下80%的容量，當(dāng)電池容量剩下50%時(shí)，電動(dòng)汽車也許就只能夠行駛50公里了。

鋰離子電池的這種特性告訴我們，僅僅將動(dòng)力電池的電量充到一半或者80%，是完全不能夠滿足電動(dòng)汽車實(shí)際使用需要的。比如Tesla宣傳較多的快速充電技術(shù)，在筆者看來(lái)其實(shí)也是噱頭大過(guò)實(shí)用，而且快充必將嚴(yán)重惡化電池的使用壽命和性能，并且?guī)?lái)安全隱患。

既然鋰電本質(zhì)上就不適合快充，那么理論上而言換電模式可以彌補(bǔ)其快充缺點(diǎn)。雖然將動(dòng)力電池設(shè)計(jì)成可插拔式會(huì)帶來(lái)整車結(jié)構(gòu)強(qiáng)度問(wèn)題以及電氣絕緣方面的難題，而且還有電池標(biāo)準(zhǔn)和借口的超級(jí)難題，但筆者個(gè)人認(rèn)為，這個(gè)模式不失為解決鋰電快充難題的一個(gè)技術(shù)上(僅僅是在技術(shù)層面上而言)比較可行的辦法。

在筆者看來(lái)，“電池租賃+換電模式”之所以在全球范圍內(nèi)都還沒(méi)有成功先例，除了消費(fèi)習(xí)慣的問(wèn)題(車主認(rèn)為電池跟車一樣都是其私有財(cái)產(chǎn)),主要障礙在于隱藏于技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)背后的巨大利益分配問(wèn)題。在高度市場(chǎng)化的西方國(guó)家，解決這個(gè)問(wèn)題的難度要比在中國(guó)大得多。筆者個(gè)人認(rèn)為，換電模式未來(lái)在我國(guó)公交汽車和出租車這兩個(gè)純電動(dòng)汽車集中使用的領(lǐng)域，有可能會(huì)有較大的發(fā)展空間。