當(dāng)下，全球車輛電動化轉(zhuǎn)型在電池技術(shù)不斷地發(fā)展、碳排放政策日益嚴(yán)苛的“雙輪驅(qū)動”下，進(jìn)入高速發(fā)展時(shí)期。

據(jù)彭博社新能源財(cái)經(jīng)數(shù)據(jù)，2019 年至 2021 年期間，電動汽車的年銷量從 210 萬輛增長至 560 萬輛。盡管如此，2021 年全球電動汽車的銷量僅占新車銷量的 7%，尤其在高碳排放的重型車輛領(lǐng)域電動車輛，其滲透率甚至不到 1%[1]。

目前，車輛全面電動化轉(zhuǎn)型還面臨著電池成本、原材料可持續(xù)性、電池制造中碳排放等嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，特別是“續(xù)航焦慮”已成為制約電動汽車發(fā)展的“關(guān)鍵瓶頸”。

那么，該如此解決這個難題呢？人們試圖用增大電池包容量的方式緩解該問題，例如提供 ~500km 續(xù)航、采用 >80kWh 的電池包，部分車企甚至宣布將推出 150kWh 電池、續(xù)航達(dá) 1000km 的產(chǎn)品。

（來源：Pixabay）

然而，單純依靠增大電池容量來消除里程焦慮的策略，也面臨諸多方面的挑戰(zhàn)。首先，大容量電池增加了電池原材料的消耗以及電池成本。近兩年來，電動汽車銷量猛增以及疫情等因素引起供應(yīng)鏈緊張，并導(dǎo)致電池原材料的價(jià)格不斷飆升。僅 2021 年，碳酸鋰價(jià)格已上漲 5 倍，而鈷的價(jià)格也上漲 2 倍。

其次，由于地緣沖突，戰(zhàn)略金屬材料的供應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)越來越大。隨著未來電動汽車銷量的指數(shù)級增長，電池原材料尤其是緊缺金屬資源的可持續(xù)供應(yīng)，以及其帶來的礦山過度開采、環(huán)境污染等問題亟待解決。同時(shí)，電池成本的增加將影響電動汽車的滲透率，這在二三線城市表現(xiàn)顯著，特別是對于下沉市場。

再次，電池生產(chǎn)過程中的碳排放問題同樣不容忽視。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每 kWh 電池生產(chǎn)過程約排放 175kg 二氧化碳。假設(shè) 2030 年全球電動汽車銷量可達(dá) 4000 萬輛，車均電池容量為 80kWh，那么，2030 年單純由動力電池生產(chǎn)帶來的碳排放就能達(dá)到0.56G 噸。與之對比的是，2021 年全球交通領(lǐng)域的碳排放總量為 7.2G 噸[2]。

圖丨相關(guān)論文（來源：One Earth）

單純依靠增大電池容量來消除里程焦慮的策略“困難重重”，而車輛電動化又是發(fā)展趨勢，因此，新策略成為解決上述難題的關(guān)鍵。

基于此，3 月 18 日，北京理工大學(xué)電動車輛國家工程研究中心楊曉光教授（孫逢春院士團(tuán)隊(duì)）、美國普渡大學(xué)帕薩·穆克吉（Partha Mukherjee）教授團(tuán)隊(duì)以及賓州州立大學(xué)王朝陽院士在 Cell  子刊 One Earth 上共同發(fā)表了題為《極速充電促進(jìn)可持續(xù)電氣化》（Advancements in extreme fast charging to foster sustainable  electrification）的評論性文章[3]。

該文章指出，發(fā)展 10 分鐘極速充電技術(shù)，同時(shí)搭配中小型（40-55kWh）電池包，是同時(shí)解決續(xù)航焦慮、充電焦慮、成本焦慮，實(shí)現(xiàn)電動化轉(zhuǎn)型可持續(xù)性發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)路線。

這里提及的“極速充電”，是指通過高功率（250-350kW）充電實(shí)現(xiàn) 10 分鐘補(bǔ)能到 ~80%。因此，通過極速充電，可消除遠(yuǎn)距離出行的里程焦慮。同時(shí)搭配中小型電池包，其可提供 250-350km 的續(xù)航里程，以滿足日常通勤需求。并且，這種策略還能顯著降低電池成本、原材料消耗以及電池生產(chǎn)中的碳排放量。

無獨(dú)有偶，近期，特斯拉 CEO 埃隆·馬斯克（Elon Musk）在推特也發(fā)表了類似的觀點(diǎn)。他強(qiáng)調(diào)，“特斯拉不會生產(chǎn)續(xù)航 600 英里（960 公里）的電動車，因?yàn)檫@將使得人們在 99.9% 的時(shí)間都在背負(fù)著完全不需要的電池重量。事實(shí)上，即使現(xiàn)在的 400 英里續(xù)航也超過了絕大多數(shù)人的需求?！?br />
當(dāng)前，動力電池的充電能力仍是制約電動汽車充電速度的瓶頸。盡管特斯拉新一代超充樁已達(dá)到 250kW 功率，歐美更是積極布局 >350kW 超充樁。當(dāng)前主流電動汽車在 10-80% 電量區(qū)間的平均充電功率僅為 100-150kW。其根本原因在于，高功率充電容易誘發(fā)電池析鋰，進(jìn)而導(dǎo)致電池壽命驟降，并可能造成嚴(yán)重的安全事故。

該文章還強(qiáng)調(diào)，電池快速充電必須同時(shí)滿足三項(xiàng)指標(biāo)：充電時(shí)間、快充后電池所獲比能量（增加的續(xù)航里程）、電池循環(huán)壽命，三者缺一不可。然而，動力電池存在活性和穩(wěn)定性的矛盾。也就是說，傳統(tǒng)的采用高活性材料提升電池快充能力的辦法通常以犧牲電池壽命和安全性為代價(jià)。因此，顯然目前所使用的絕大多數(shù)電池快充方法無法滿足三者的“同時(shí)兼得”。

那么，是否有更好的技術(shù)策略呢？熱調(diào)控充電是解決上述活性和穩(wěn)定性矛盾的極具前途的技術(shù)路線。孫逢春院士團(tuán)隊(duì)的楊曉光教授此前在王朝陽院士指導(dǎo)下研發(fā)了一種熱調(diào)控極速充電技術(shù)，通過一種新穎的自加熱結(jié)構(gòu)將電池快速地加熱至高溫（~60℃）充電以消除析鋰。為控制電池材料衰減，該研究通過限制電池在高溫的工作時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了 10 分鐘充入 168Wh/kg 的比能量，且循環(huán)壽命高達(dá) 2500 次[4]。

目前，熱調(diào)控充電的技術(shù)路線已被業(yè)界接受，并逐漸成為快充技術(shù)的主流發(fā)展方向。從市場應(yīng)用技術(shù)來看，特斯拉的新一代快充技術(shù)已通過在途預(yù)熱方式，將電池加熱至 45-55℃ 充電。但是，其過慢的加熱速度將制約充電速度及影響其使用壽命。

根據(jù)該文章觀點(diǎn)，未來的電池快充技術(shù)發(fā)展需要加強(qiáng)多層級的協(xié)同，即通過材料、電芯結(jié)構(gòu)和電池管理策略的協(xié)同設(shè)計(jì)與優(yōu)化以進(jìn)一步提高電池的能量密度、充電速率與循環(huán)壽命。

總的來說，大力發(fā)展動力電池極速充電技術(shù)，通過 10 分鐘快速補(bǔ)能與中小型電池包的“黃金搭配”策略，將成為實(shí)現(xiàn)車輛全面電動化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵。

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參考:
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