博盈证券 电动汽车能否实现和燃油车一样的补能效率：5min补能_电池_石墨_充电
国际能源署的一份报告显示，2023年售出的新车中，近五分之一是电动汽车或插电式混合动力汽车。目前阻碍新能源汽车普及的因素，除了相对较高的价格外，更多的还是电车充电时间过长的问题。和燃油车相比电动汽车充电速度很慢，前者大约5min就能加满油。而电动汽车即使使用800V快充，也需要15min-20min才能充满足够的电量，让车主开到下一个目的地。电动汽车和燃油车的补能，后者的便捷性不言而喻。
电动汽车的补能该何去何从？新技术是否可以对补能效率进行突破，实现更快的补能速度。
基于此，自由科学记者Sam Lemonick在ACS Central Science上发表题为“Can New Chemistry Make EVs That Charge in 5 min or Less?”的专题报道，针对现阶段电动车充电速度及充电便捷性的窘境进行了讨论，并列举分析了可能促进电池快充的关键技术。
阿贡国家实验室的电池研究员Venkat Srinivasan表示：“十年前，没人在乎电动汽车的补能效率”，而目前，人们对快充的定义发生了变化：曾经15分钟就被认为足够快了，然而现在购车者要求的是5min完成补能，
制造一种充电速度更快的电池并非易事；这需要从分子层面了解每个组件的缺陷。将新电池的制造规模扩大到数百万个单位也并非易事。专家们一致认为，不太可能出现一种电池化学或技术来满足所有需求。
展开剩余86%北京理工大学的电池研究员崇岩表示：“目前还没有一款‘完美’的电动汽车电池，说实话，可能永远也不会有单一的理想解决方案。一切都涉及权衡取舍。”他说，这些权衡因素可能包括电池寿命、安全性、环境影响，以及车辆续航里程和充电时间。
简单来说，电池由两个电极以及它们之间的导电材料组成。当电池连接到电路时——无论是手电筒灯泡还是电动汽车的发动机——电池内部的氧化还原反应会使电子和离子从一个称为阴极的电极流出，流入另一个电极，即阳极。在充电过程中，这些反应会逆向进行。
锂离子电池的基本原理
在电池内部，锂离子电池通过让电子在电路中移动来产生电能，锂离子从阴极移动到阳极。阴极通常由层状金属氧化物制成，离子可以自由穿梭于层间。传统上，阳极由石墨制成。
锂离子电池通过电子在电路中移动来产生电能，但在电池内部，锂离子从阴极移动到阳极。阳极历来由石墨制成。
多年来，阴极并未发生根本性变化。两种应用最为广泛的阴极材料——层状氧化物，如锂镍镁钴氧化物（NMC）；以及聚阴离子氧化物，如磷酸铁锂氧化物（LFP）——都是几十年前John Goodenough、Arumugam Manthiram及其同事在牛津大学和德克萨斯大学奥斯汀分校开发的材料的衍生产品。这些阴极材料的工作速度相对较快。然而让锂离子溶解在电解液中并将它们进入阳极，这两个步骤的速度要慢得多。
除了这些组件之外，电动车（EV）的电池系统还需要计算机。电动车中的电池并不是单一对电极，而是通过数百甚至数千个电池单元串联在一起。通常称为电池管理系统（BMS），这些计算机负责管理每个电池单元的工作，最大程度兼顾电池包的性能及安全性。目前，广泛使用的石墨负受到了极大的关注。加州大学圣地亚哥分校的化学工程师Ping Liu指出，目前的快充技术，石墨才是瓶颈！
石墨的层状结构、导电性、低成本和低毒性使其成为理想电极材料选择。但其二维结构限制了锂离子进出路径的数量。阿贡实验室的Srinivasan将其比作1000人试图通过同一组门离开会议大厅。一种解决方案可能是增加“出口”。美国能源部国家可再生能源实验室的研究人员已尝试用激光在石墨中钻出宽度仅为5 μm的小孔。这些通道为负极材料提供了更多的Li+迁移路径。在一项专利中，研究人员报告称，使用这种钻孔电极时，电池充电速度可以快3倍以上。
与石墨一样，硅也有着丰富、廉价，并且对健康和安全优点。使用硅制造的电池在理论上可以在相同体积内储存更多能量。石墨能容纳的锂离子与碳原子的比例为6:1，因为离子会嵌入其片状结构的六边形孔隙中。而硅负极的比例则接近4:1。然而，硅的一个显著问题是它的稳定性较差。纯硅负极在满嵌锂时体积会膨胀超过300 %。相比之下，石墨负极的体积增长约为10%。剧烈的膨胀可能导致开裂——不仅是负极，还会影响电池的其他组件，尤其是在快速充电电池中负极迅速膨胀会在加速电池的损坏，缩短电池寿命。目前研究人员尚未掌握足够的真实数据来确定含硅电池的寿命，同时由于价格原因。电动车买家可能不愿意为了更快的充电而更快更换电池组。
图3 OneD 公司在石墨层之间生长硅纳米线
通过硅掺杂石墨，或许可以同时获得两者的优点。OneD Battery Sciences公司成立于2013年，其开发了一种工艺可以在石墨颗粒的孔隙中生长硅纳米线。目前该公司正在尝试将这项技术授权给电池制造商。OneD在2024年于华盛顿州开设了一个试验工厂，用于生产其负极材料，并宣布与Koch Modular Process Systems建立合作关系，共建一个更大的工厂，但尚未透露具体地点或时间。然而，考虑到制造商将新技术整合到生产车辆中的周期较长，Pluvinage表示，这些电池可能要到2030年才能应用于电动车。
硅并不是唯一的选择。加州大学圣地亚哥分校的Ping Liu参与并共同创立了总部位于加州的Tyfast公司，该公司正在研发一种锂钒氧化物负极。这家初创公司获得了美国能源部的ARPA-E（高级研究计划署-能源）计划提供的EVs4ALL项目资助，该项目的目标是开发一种能在5分钟内充电至80%容量的电池。EVs4ALL项目主管Halle Cheeseman表示，金属氧化物负极是正在研究的一种解决方案，这类负极的层状结构能够保证Li+的快速传输。Tyfast的锂钒氧化物电池的能量密度低于目前用于电动车的电池—这意味着同样续航里程的电池组其重量会更重—但它的充电速度非常快。该公司声称其电池可以在10分钟内完全充满电。Liu团队将其归因于Li+能够快速穿过负极材料晶体结构，在四面体LiO4位点和八面体LiO6位点之间跃迁。
Tyfast 的锂钒氧化物电池
这些更大、更重的电池虽然会显著降低乘用电动车的续航里程，但Ping Liu认为，它们较低的能量密度在商用车辆中或许不是什么问题。例如，用于采矿的卡车本来就很重，因此增加电池组的重量影响不大。EVs4ALL项目资助的另一个团队正在探索一种玻璃状材料。项目负责人、俄亥俄州立大学的Anne Co未透露具体细节，但表示该团队（包括来自本田和阿贡国家实验室的合作伙伴）已经提交了一篇论文。该团队的目标是开发更小的电池组，这些电池组续航里程较短，但充电速度足够快，力图使用方便。
Anne Co认为较小的电池组还可以帮助控制电动车的成本。不过，她承认，美国以外的电池制造商已经达到了他们设定的成本目标。她指出，美国制造的电池是否能够具有成本竞争力是一个现实问题。EVs4ALL还在资助关于钠离子和钾离子电池的研究。锂之所以成为可充电电池的首选，很大程度上是因为它非常轻。更重的元素意味着更重的电池组和更短的续航里程。Halle Cheeseman表示，虽然钠离子电池充电速度很快，但它们储存的能量不足以满足目前电动车的需求。 钾离子电池看起来更有前途：它们比钠离子电池储存更多能量，并且因钾离子在电解液中的扩散速度快，其充电速度也比锂离子电池更快。
其他电池制造商也在提升充电性能，但并不一定引入新材料。例如，中国电池公司CATL去年宣布，集团在正极中使用了一种现有材料，但应用了创新的加工方式：将粉状磷酸铁锂（LFP）压制到导电箔上，而不是用粘合剂将LFP颗粒粘合在一起。据行业分析师Sam Adham称，CATL通过使电极更薄降低了电阻。CATL尚未透露关于这款名为Shenxing Plus电池的具体细节，但声称其在CATL专有的快速充电站上可以在10分钟内充电600公里续航里程。这比该公司2023年宣布的上一代LFP电池在相同时间内增加了50 %的续航。
特斯拉通过一种相对隐秘的方式实现了高温充电。当司机打开导航应用寻找最近的特斯拉快速充电站时，电池管理系统（BMS）会让电池开始升温。当车辆到达充电站时，较高的温度可以加速电池的充电速度。另一个看似简单的解决方案是以更高电压为电池充电。今年3月，汽车和电池制造商比亚迪（BYD）宣布了一种新型充电器，称其能够在5分钟内提供400公里的续航。这款系统依赖于汽车车载充电系统中的碳化硅（SiC）半导体芯片。SiC芯片比仅由硅制成的芯片更能承受高温和高电压。相比之下，特斯拉最快的充电器运行在1000 V。比亚迪也是众多使用SiC芯片的公司之一，其汽车还可以在快速充电前预热电池。
使用更高电压确实可以更快地为电池充电，但也可能加速电池性能的衰退—锂在负极上的沉积。这些沉积物通常是不可逆的，这意味着活性锂的总量减少，从而可用的能量也减少。在最糟糕的情况下，这些沉积物可能形成尖刺状结构，称为枝晶（dendrites），它们可能刺穿正极和负极之间的隔膜，导致电池短路。Adham认为，比亚迪研发的软件可能缓解这些损害，以保证电池的使用寿命。他表示，这些新型充电器可能主要是为了展示比亚迪LFP电池组的优势，而不太可能在短期内上马大规模应用。要实现1500伏充电需要建造新的基础设施，这不会马上普及。最后是电解液的研发改进。北京理工大学的Yan专注于开发电解液。对于快充电解液，溶剂可能是瓶颈，在快速充电过程中，如果Li+不能顺畅地通过溶剂，它们会在负极外部堆积，形成“交通堵塞”。更轻的共溶剂，如乙酸甲酯或乙酸乙酯，可能有助于提升Li+在电解液中的迁移能力。2023年，达尔豪斯大学的一项研究发现，在LiPF6（一种电解液中常见的盐）中使用乙酸甲酯作为溶剂，其导电性是传统电解液的两倍。
【总结和展望】
阿贡实验室的Srinivasan预测快充电池解决方案将分为三个部分：
第一是软件，例如特斯拉的预热功能；
第二是电极结构，例如CATL的压制LFP粉末；
第三则是新材料和新化学技术，但这似乎尚未完全到来。
未来快充电池的开发及电动车普及，还需要不同领域科学家同步发力，在多个维度突破电池快充和安全性的瓶颈。
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