磷酸鐵鋰電池快充技術(shù)解密

磷酸鐵鋰電池本身的材料特性不適合做快充，原因是其導(dǎo)電性不夠好，快充時(shí)易發(fā)熱，但這只是針對(duì)純相磷酸鐵鋰材料而言，其在經(jīng)過晶粒細(xì)化、表面碳包覆、晶胞元素?fù)诫s等技術(shù)改良之后便擁有了良好的離子和電子遷移速率，適用于快速充電。而且磷磷酸鐵鋰電池的高安全性、高熱穩(wěn)定性及長循環(huán)壽命的特點(diǎn)，讓其成為被新能源汽車快充電池優(yōu)先考慮的選擇之一。

快充作為新能源汽車發(fā)展最為重要的技術(shù)路徑，其有關(guān)緩解續(xù)航里程焦慮、減少充電時(shí)間等效果顯著，因此也成為不少車企和電池公司的市場(chǎng)選擇。

在2016年底公布的新能源汽車補(bǔ)貼調(diào)整方法中，將快充類純電動(dòng)大巴被作為單獨(dú)的細(xì)分產(chǎn)品，并給予了詳細(xì)的補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)：按照客車電容量可獲得3000元/Kwh補(bǔ)助，同時(shí)根據(jù)“3C-5C、5C-15C、15C+”3個(gè)檔次的快充倍率分別獲得0.8倍、1倍、1.4倍補(bǔ)貼。

在此背景下，包括北汽福田、宇通、廈門金龍等主流車企和寧德時(shí)代、沃特瑪、盟固利、微宏動(dòng)力等動(dòng)力鋰離子電池公司都開始加大了在快充領(lǐng)域的布局。

而從技術(shù)層面來講，盡管科學(xué)界頻頻傳出某種研究或者新材料可大幅度提升電池能量密度的捷報(bào)，但在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，出于成本、技術(shù)、工藝和安全的考慮，續(xù)航依然是制約新能源汽車發(fā)展的一大因素。在電池技術(shù)尚未取得革命性突破之前，選擇快充來緩解新能源汽車?yán)m(xù)航里程不足的缺陷，不失為一個(gè)另辟蹊徑的好辦法。

事實(shí)上，快充在動(dòng)力鋰離子電池上的應(yīng)用可謂是早已遍地開花。但究其技術(shù)，其實(shí)殊途同歸，快充技術(shù)的核心就是在不影響電芯壽命和安全性的前提下，通過化學(xué)體系和設(shè)計(jì)優(yōu)化，加速鋰離子在正負(fù)極移動(dòng)的速度。

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。解決這個(gè)攔路虎的一般解決方法是，通過采用特殊設(shè)計(jì)的負(fù)極材料(如硬碳、軟碳、碳包覆石墨等)來使負(fù)極具有承受快充的能力。而有關(guān)只作為鋰離子源的正極材料，其實(shí)并無要求，理論上只要能供應(yīng)足夠的鋰離子都可作為正極。

盡管快充技術(shù)大相徑庭，但具體應(yīng)用起來也是八仙過海各顯神通。盤點(diǎn)市場(chǎng)上主流的快充電池，筆者按電池材料分為磷酸鐵理電池、鈦酸鋰離子電池、錳酸鋰離子電池三大類型。

有人說磷酸鐵鋰不適合做快充，原因是其導(dǎo)電性不夠好，快充時(shí)易發(fā)熱。但這只是針對(duì)純相磷酸鐵鋰材料而言，其在經(jīng)過晶粒細(xì)化、表面碳包覆、晶胞元素?fù)诫s之后擁有良好的離子和電子遷移速率，適用于快速充電。而磷磷酸鐵鋰高安全性、高熱穩(wěn)定性及長循環(huán)壽命的特點(diǎn)，讓他不失為快充的優(yōu)質(zhì)選擇。目前國內(nèi)專注于磷酸鐵鋰快充技術(shù)的公司以寧德時(shí)代與沃特瑪為代表。

寧德時(shí)代作為磷酸鐵鋰離子電池的代表公司，在快充一途上有著自己相當(dāng)成熟成熟的體系。寧德時(shí)代是國內(nèi)唯一一家可與日韓電池公司對(duì)標(biāo)的民族公司，具備資源國際化、客戶國際化和人才國際化。公司人力資源雄厚，研發(fā)團(tuán)隊(duì)超群，從研發(fā)設(shè)計(jì)，到生產(chǎn)，再到測(cè)試驗(yàn)證，投產(chǎn)，有強(qiáng)大的資源支撐，奠定了產(chǎn)品安全、可靠、耐久的三大優(yōu)勢(shì)。

寧德時(shí)代技術(shù)部快充專家王升威博士在“2016-2017年度我國客車行業(yè)發(fā)展高峰論壇”上介紹了其快充技術(shù)。有關(guān)正極，寧德時(shí)代開發(fā)了“超電子網(wǎng)”技術(shù)，使得磷酸鐵鋰具有優(yōu)異的電子導(dǎo)電性能，可達(dá)三元材料的1000倍，同時(shí)磷酸鐵鋰的正極也兼顧了快充電池系統(tǒng)的超高安全性和可靠性。

在負(fù)極石墨表面，寧德時(shí)代采用了“快離子環(huán)”技術(shù)修飾，修飾后的石墨兼顧超級(jí)快充和高能量密度的特性，快充時(shí)負(fù)極不再出現(xiàn)副產(chǎn)物，所以大大提高鋰離子在石墨層的嵌入速度，使其具備4-5C快充能力，實(shí)現(xiàn)10-15分鐘快充充電，并能保證系統(tǒng)級(jí)別70wh/kg以上的能量密度，實(shí)現(xiàn)10000次的循環(huán)壽命。

另外，寧德時(shí)代當(dāng)前開發(fā)的快充產(chǎn)品，搭載自主研發(fā)的熱管理系統(tǒng)，充分識(shí)別固定化學(xué)體系在不同溫度和SOC下的“健康充電區(qū)間”，極大拓寬鋰離子電池的運(yùn)營溫度。當(dāng)電池處于北方寒冷的冬天時(shí)，水熱系統(tǒng)在低溫下為電芯加熱，待電芯溫度達(dá)到要求，即開啟快充模式;遇到南方酷暑的夏天時(shí)，電池系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)熱報(bào)警，水冷系統(tǒng)給電芯降溫，真正做到“全氣候”的快充。

同樣作為國內(nèi)磷酸鐵鋰離子電池的代表公司，深圳市沃特瑪電池有限公司是國內(nèi)最早成功研發(fā)新能源汽車動(dòng)力鋰離子電池，并率先實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)和批量應(yīng)用的國家高新技術(shù)公司。

沃特瑪電芯研究所所長許輝在采訪中說出了沃特瑪快充上的獨(dú)門絕技。在正極上，沃特瑪使用的粒徑更小的磷酸鐵鋰，目前市場(chǎng)上普遍的磷酸鐵鋰粒徑在300~600nm之間，而沃特瑪只用100~300nm的磷酸鐵鋰，這樣鋰離子將擁有更快的遷移速度，能夠更大倍率的電流進(jìn)行充放電。

而在負(fù)極端也是采用粒徑更小的人造石墨進(jìn)行碳包覆：小粒徑有利于鋰離子的脫離和嵌入；碳包覆能對(duì)電池的循環(huán)壽命進(jìn)行優(yōu)化改善，微孔的碳結(jié)構(gòu)有利于電解液的吸附和保液從而起到改善循環(huán)壽命的用途。

安全上，首先磷酸鐵鋰本身就有著較好的熱穩(wěn)定性，即在熱失控的情況下散發(fā)的熱量較之三元材料小很多，只有1/4左右。然后在電芯結(jié)構(gòu)、成組等方面設(shè)置多重安全防護(hù)。沃特瑪電池采用圓柱結(jié)構(gòu)，并在常規(guī)安全裝置外設(shè)有通氣管裝置和拉斷開啟裝置。通氣管裝置能保證內(nèi)部氣壓的平衡，不會(huì)有電芯內(nèi)局部氣壓過高導(dǎo)致電池爆炸的風(fēng)險(xiǎn)；而拉斷開啟裝置在電池過充、過流、過熱的情況下，會(huì)產(chǎn)氣斷開電路，終止電池內(nèi)部的電化學(xué)反應(yīng)，當(dāng)內(nèi)部氣壓達(dá)到一定值會(huì)將氣體放出，而不會(huì)導(dǎo)致爆炸。