在電動汽車越來越普及的今天，生活中經(jīng)常會見到各種品牌各種檔次的電動汽車，隨著產(chǎn)品線的不斷延展，EV市場不斷細分，比如最近頻頻發(fā)布的純電動SUV，包括云度π1，Tesla model X，BYD宋等車型。絕大多數(shù)消費者日常行駛距離不足80km，但卻希望續(xù)航里程能達到500km以上，為何純電動還是叫好不叫座呢，究其根本原因還是因為純電動汽車技術(shù)的進步還未能達到預期，最重要的就是續(xù)航里程無法滿足用戶需求，充電速度趕不上加油速度。

圖1 主流車型最大續(xù)航里程統(tǒng)計

這里就要提到一個概念“里程焦慮”，就是指駕駛電動汽車時因擔心突然沒電引起的精神痛苦或憂慮。那么如何化解里程焦慮呢？今天就從電池的角度去解讀下。

化解里程焦慮最直接的就是提高電動汽車的續(xù)航里程，核心就是提高電池組和單體電池的能量密度，另外就是做快充電池，例如東芝最近推出的超級快充鈦鈮電池。

如何從電池的角度解決里程焦慮

我們可以看下若特斯拉model S或者model X 18650電池替換為最新的21700電池，續(xù)航里程的增加情況：電池容量增幅估計為30%，由于21700的體積比18650增加46%，考慮電池體積增加與容量的非線性關(guān)系并作保守估計取為30%的電池容量增幅。

圖2 18650換裝21700續(xù)航預測

目前主流動力電池企業(yè)能量密度都已突破180wh/kg,以云度π1搭載的比克18650圓柱電池為例，其能量密度已經(jīng)接近250wh/kg。下圖是比克在圓柱電池體系的開發(fā)路線圖。

圖3 比克圓柱電池開發(fā)路線圖

由上面路線圖可以看出，其實想要提高能量密度還是要從電池材料上下功夫。下面分幾個重要的方向詳細聊聊電池能量密度的提升。

正極

從正極的角度考慮，目前使用克容量更高的高Ni三元材料NCM622,811或者更高容量大NCA材料是電池企業(yè)的必經(jīng)之路。

另外一點，開發(fā)高電壓正極三元材料對于提升能量密度也會有顯著的效果，下圖列舉了不同比例的NCM三元材料在20Ah軟包電池中不同上限電壓下所能達到的能量密度。

圖4 NCM材料不同電壓和負極下的能量密度對比

目前高電壓體系還是有一些問題沒有解決，比如對循環(huán)壽命的影響。以下是高Ni體系600次常溫循環(huán)后不同上限電壓的容量保持率對比。高溫循環(huán)衰減更為嚴重。

圖5 高Ni體系NCM不同電壓循環(huán)保持率對比

最后我認為非常重要的就是在正極體系設(shè)計中應(yīng)盡量減少非活性物質(zhì)的使用量比如binder，導電炭等。這就要求輔助材料等性能需要進一步提升才能減少用量，比如超高粘結(jié)力的PVDF和SWCNT等材料的應(yīng)用。借此，三元體系loading可以做到接近99%等水平。

負極

傳統(tǒng)的石墨類負極材料已經(jīng)不能滿足能量密度增長的需求，從負極的角度考慮提升能量密度產(chǎn)業(yè)界也已經(jīng)達成一致，那就是采用硅負極體系。

圖6 硅復合負極與常規(guī)石墨對比

圖7 日立化成硅復合材料數(shù)據(jù)對比

硅材料的比容量4000mAh/g固然高的超乎想象，但純硅還是無法產(chǎn)業(yè)化，主要原因是：體積膨脹達300%以上，材料粉化脫膜循環(huán)衰減非常嚴重；導電性差，不可逆容量大，首次效率很低。

所以需要很好的解決以上兩點問題才能大規(guī)模使用硅負極材料，最好的辦法就是硅與碳形成的復合材料，因為碳材料具有較高的電子電導與離子電導，可改善硅基材料的倍率性能，抑制硅在循環(huán)過程中的體積變化;同時，碳也能貢獻一定容量。目前最適合作為硅碳復合材料基質(zhì)的碳主要有石墨、中間相碳微球、石墨烯和碳納米管等。

適合商業(yè)化的目前分為兩類硅碳復合材料SiO和SiC,為了兼顧成本和性能，需要與商業(yè)化負極石墨材料混用。目前商業(yè)化的Si負極材料大多用于圓柱型電池體系，因為篷帳還是無法與普通石墨達到相同水平，有圓柱鋼殼束縛極片結(jié)構(gòu)，電芯的循環(huán)壽命可以得到很好的發(fā)揮。負極容量400以上的18650-3300mAh循環(huán)性能可以做到1000次左右了。

圖8 高容量18650常溫循環(huán)數(shù)據(jù)

另外，與正極材料一樣，提高活性材料的loading，降低導電劑，粘結(jié)劑的使用量也是非常重要的方面。

隔膜

隔膜在鋰電池中扮演著正負極絕緣體、離子導電體、離子自由傳導的角色，可以提升鋰電池的安全。隨著正負極能量密度的不斷提高，隔膜性能也必須增強。從隔膜的角度去提升電池能量密度，可能作用不是很大，各個隔膜公司都相繼推出了適用于高能量密度電池體系的20um以下的高安全性涂覆隔膜。從理想化的角度說，更薄但強度又更好的隔膜是提升并保證高能量密度的關(guān)鍵，從隔膜孔隙結(jié)構(gòu)來說，較小的孔徑和更均勻的孔徑分布有助于更長的循環(huán)壽命。

快充技術(shù)

快充技術(shù)對于解決里程焦慮可以說是立竿見影的，以下是快充和慢充的區(qū)別。

圖9 快充和慢充

由于電動汽車電池需要更大的充電功率，因此一般充電情況下要先將家庭220V交流電轉(zhuǎn)換為500V直流電，整個充電時長一般6~8小時。電動汽車快充是直接以大功率直流電來對電池進行充電，在30分鐘左右可以充 電至80%。為保護電池安全，超過80%后充電電流必須變小，充到100%需要較長時間。因此，由于需要特定的快速充電設(shè)備，電動汽車生產(chǎn)廠商通常擁有自己的快速充電樁或快速充電站以滿足消費者的需求。

超級充電站是特斯拉主推的充電方式，其充電速度是三種方式中最快的，充電電壓為380V，充電電流最大可接近200A，充電1小時足夠行駛約350公里，整個充 電過程最快能在一小時左右時間內(nèi)完成。

開發(fā)新型先進電池

下一代更高能量密度>300Wh/kg的電池也都在開發(fā)中，如固態(tài)電池，鋰硫電池等。

圖10 高比能量電池技術(shù)

結(jié)語

隨著電池電機電控技術(shù)的發(fā)展我相信純電動汽車會越來越普及，里程焦慮的問題肯定會得到妥善的解決。當然這離不開產(chǎn)業(yè)鏈如電池原材料，電池設(shè)計，結(jié)構(gòu)設(shè)計，充電設(shè)施等各個環(huán)節(jié)共同努力。剩下的只是一個時間問題。

返回第一電動網(wǎng)首頁 >