王朝陽院士：10分鐘極速充電搭配中小型電池，是實現車輛電動化轉型可持續發展的“黃金搭配”策略

當下，全球車輛電動化轉型在電池技術不斷地發展、碳排放政策日益嚴苛的“雙輪驅動”下，進入高速發展時期。

據彭博社新能源財經數據，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，車輛全面電動化轉型還面臨著電池成本、原材料可持續性、電池制造中碳排放等嚴峻的挑戰，特別是“續航焦慮”已成為制約電動汽車發展的“關鍵瓶頸”。

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 續航、采用 >80kWh 的電池包，部分車企甚至宣布將推出 150kWh 電池、續航達 1000km 的產品。

（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。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鏈緊張，并導致電池原材料的價格不斷飆升。僅 2021 年，碳酸鋰價格已上漲 5 倍，而鈷的價格也上漲 2 倍。

其次，由于地緣沖突，戰略金屬材料的供應風險越來越大。隨著未來電動汽車銷量的指數級增長，電池原材料尤其是緊缺金屬資源的可持續供應，以及其帶來的礦山過度開采、環境污染等問題亟待解決。同時，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顯著，特別是對于下沉市場。

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

圖丨相關論文（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展趨勢，因此，新策略成為解決上述難題的關鍵。

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

該文章指出，發展 10 分鐘極速充電技術，同時搭配中小型（40-55kWh）電池包，是同時解決續航焦慮、充電焦慮、成本焦慮，實現電動化轉型可持續性發展的關鍵技術路線。

這里提及的“極速充電”，是指通過高功率（250-350kW）充電實現 10 分鐘補能到 ~80%。因此，通過極速充電，可消除遠距離出行的里程焦慮。同時搭配中小型電池包，其可提供 250-350km 的續航里程，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中的碳排放量。

無獨有偶，近期，特斯拉 CEO 埃隆·馬斯克（Elon Musk）在推特也發表了類似的觀點。他強調，“特斯拉不會生產續航 600 英里（960 公里）的電動車，因為這將使得人們在 99.9% 的時間都在背負著完全不需要的電池重量。事實上，即使現在的 400 英里續航也超過了絕大多數人的需求。”

當前，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到 250kW 功率，歐美更是積極布局 >350kW 超充樁。當前主流電動汽車在 10-80% 電量區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電池析鋰，進而導致電池壽命驟降，并可能造成嚴重的安全事故。

該文章還強調，電池快速充電必須同時滿足三項指標：充電時間、快充后電池所獲比能量（增加的續航里程）、電池循環壽命，三者缺一不可。然而，動力電池存在活性和穩定性的矛盾。也就是說，傳統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。因此，顯然目前所使用的絕大多數電池快充方法無法滿足三者的“同時兼得”。

那么，是否有更好的技術策略呢？熱調控充電是解決上述活性和穩定性矛盾的極具前途的技術路線。孫逢春院士團隊的楊曉光教授此前在王朝陽院士指導下研發了一種熱調控極速充電技術，通過一種新穎的自加熱結構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間，實現了 10 分鐘充入 168Wh/kg 的比能量，且循環壽命高達 2500 次[4]。

目前，熱調控充電的技術路線已被業界接受，并逐漸成為快充技術的主流發展方向。從市場應用技術來看，特斯拉的新一代快充技術已通過在途預熱方式，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。

根據該文章觀點，未來的電池快充技術發展需要加強多層級的協同，即通過材料、電芯結構和電池管理策略的協同設計與優化以進一步提高電池的能量密度、充電速率與循環壽命。

總的來說，大力發展動力電池極速充電技術，通過 10 分鐘快速補能與中小型電池包的“黃金搭配”策略，將成為實現車輛全面電動化轉型的關鍵。

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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