寧德時代在8月16日下午舉辦的發(fā)布會上正式發(fā)布了神行超充電池，是全球首款磷酸鐵鋰4C超充電池?？梢詫崿F(xiàn)充電10min,續(xù)航400km。根據(jù)長安汽車朱華榮的推介，這款電池10min可以從20~80% SOC，可見車型的綜合續(xù)航里程在700km左右。參考比亞迪漢以及騰勢N7的電耗~13kWh/100km(刀片電池打破LFP乘用車帶電量天花板)，預(yù)計電池包總能量接近90kWh，價格不會特別低，而且只有中大型車輛才能有足夠空間來裝下90kWh的磷酸鐵鋰電池，這些車價格也都在20萬以上?？紤]到長安以及華為都來站臺了，說不定阿維塔可以首發(fā)這款神行超充電池，畢竟是寧德時代親兒子。而且目前其電池是116kWh的三元也能夠裝下90kWh的鐵鋰。不過這款電池23年底就量產(chǎn)，24年一季度交付，可能會背刺理想純電MEGA。同時在電池系統(tǒng)高效的熱管理能力下，低溫-10℃也能夠?qū)崿F(xiàn)充電30分鐘到80% SOC。綜上，神行超充電池就是麒麟電池的LFP版本，在快充LFP電芯的基礎(chǔ)上匹配麒麟電池高效熱管理能力進一步提升整包快充性能。除了麒麟電池之外，小鵬已經(jīng)發(fā)布的G6以及上汽即將發(fā)布的LS6都具備很強的快充能力，但都不是麒麟電池架構(gòu)，那么快充是不是一定要麒麟電池的加持？其他公司的LFP電池能否快充？本文帶您一探究竟。
一、電池快充的影響因素
之前的文章中已經(jīng)提到過（參見4C+快充能成為主流嗎），快充需要在充電樁側(cè)以及電池側(cè)共同發(fā)力。前者的進步很快，在600A持續(xù)充電電流下，今年上半年華為基于1000V系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)布了600kW快充樁，廣汽，小鵬，理想也相繼發(fā)布并布局了480kW充電樁，樁端已經(jīng)不是快充的瓶頸。電池側(cè)主要包括了電芯以及系統(tǒng)的熱管理能力。
首先來看電芯本身的快充能力：主要是兩個方面，一是要避免快充時析鋰導(dǎo)致的安全以及壽命衰減。這方面核心是選擇適合快充的負(fù)極體系，比如各向同性石墨。同時仿真模擬顯示析鋰主要發(fā)生在負(fù)極片和隔膜的界面處，需要保證隔膜孔隙的均一性（一般都采用濕法隔膜，其孔隙更加均勻），其次還要在極片設(shè)計上采用濃度以及孔隙梯度設(shè)計，靠近集流體處導(dǎo)電劑多，孔隙小，靠近隔膜處正好相反，導(dǎo)電劑少，孔隙率高（寧德時代發(fā)布會提到的多梯度分層極片，這個清華大學(xué)李哲老師也研究過）。由于涂布之后由輥壓工序，一般會把靠近隔膜處的極片的孔隙變小，所以通常采用多層涂布的方式，目前國內(nèi)的研究機構(gòu)和企業(yè)已經(jīng)解決了這個問題。
圖片源自JECS文章以及清華大學(xué)李哲老師報告
其次是電芯電阻不能太大。主要兩個影響，首先是產(chǎn)熱比較大 (Q=I2R),容易達到電芯的安全運行溫度。此外內(nèi)阻大容易達到電芯的上限電壓(V=I*R)，造成充電終止，尤其是在LFP體系中尤為嚴(yán)重（上限電壓3.65V只比平臺電壓3.3V高了0.35V左右）。對于由多顆電芯組成的電池系統(tǒng)，由于容量，內(nèi)阻的差異，也更容易造成單個電芯達到上限電壓導(dǎo)致的充電提前截至(參考寧德時代即將發(fā)布6C快充技術(shù)？)。
而在電池系統(tǒng)的散熱能力方面，主要考慮的是跟電芯接觸的散熱面積。這在之前的文章（4680電池的充電速率一定更快嗎?）也提到過，電池包快充時功率和電流較高，導(dǎo)致發(fā)熱量很大，充電速率很大程度上取決于能否高效散熱。而對于熱量傳遞以及熱量對流的過程，其散熱量都跟換熱面積強相關(guān)，Q=K*A*ΔT, 其中K為導(dǎo)熱系數(shù)或者換熱系數(shù)，A為導(dǎo)熱面積或者換熱面積。幾種主流的電池來比較的話，4680電池單位容量的接觸面積跟21700是減小了的， 雖然電芯采用無極耳設(shè)計，內(nèi)阻大大降低，但是散熱面積的大幅下降，導(dǎo)致其快充能力目前還不如21700, 加上頂部冷卻的話可能勉強可以。類似的，在800V系統(tǒng)加持下，麒麟電池大面散熱的能力十分強悍，其散熱面積比21700的1.6倍，是底面和側(cè)面散熱的其他方案的接近2.4倍?？捎行ё呖斐洚a(chǎn)生的熱量。所以理論上在電芯能力相似的情況下，麒麟電池的快充確實強悍。
二、快充不一定要麒麟電池
上面已經(jīng)提過，麒麟電池主要影響是系統(tǒng)散熱能力。那么是否快充就一定要麒麟電池呢？這倒未必。因為在快充時，電芯的發(fā)熱量太高，即使是靠麒麟電池的高效散熱能力，也不足以把所有熱量帶走，還得靠著電芯本身的比熱容把熱量轉(zhuǎn)化為溫升。我們以主流的那款140Ah電芯進行分析，按照電芯內(nèi)阻0.4mΩ，系統(tǒng)1P198S，其他高壓件電阻5mΩ(包括Busbar, 繼電器，電流傳感器等) 來計算，電池系統(tǒng)總電阻為84.2mΩ。4C充電的話電池系統(tǒng)總的產(chǎn)熱功率為Q=I2R=560*560*84.2/1000=26.4kW, 冷卻系統(tǒng)散熱功率一般也就12kW左右(鋰想上海車展發(fā)布會上提到的也就12kW)，考慮到有效散熱面積不足帶來的影響，實際功率都達不到12kW, 按照實際有效散熱功率打八折（9.6kW）來計算，那么10min凈發(fā)熱量為10080kJ。如果全部被電芯吸收，按照一般三元鋁殼電芯比熱容接近1000J(kg.℃), 單電芯質(zhì)量為2.16kg計算(電芯能量密度240Wh/kg，電壓3.7V, 容量140Ah, 那么總質(zhì)量為2.16kg), 電芯溫升為23.8℃. 如果起始溫度是25℃的話，連續(xù)4C快充10min其最終溫度達到了48.8℃，接近電芯50℃的限值了。
上面的計算假設(shè)電芯內(nèi)阻是不變的，但實際上內(nèi)阻會隨SOC以及溫度改變。比如電芯充電時，SOC越低，內(nèi)阻越大。3%SOC的電阻是30%的1.7倍。所以低SOC雖然不容易析鋰，更適合大倍率充電，但是內(nèi)阻又會導(dǎo)致溫升嚴(yán)重，所以一般快充都從5~10%左右開始。而通常宣傳的20%~80%SOC的快充區(qū)間內(nèi)，電芯內(nèi)阻是比較接近的（寧德時代也是20~80%的4C快充）。值得注意的是，由于電芯的電阻隨溫度升高而降低，所以很多企業(yè)采用先預(yù)熱再進行快充的策略，比如特斯拉，比如國軒發(fā)布的LMFP 電池預(yù)熱到35℃(LMFP即將拳打LFP腳踢NCM)。之前王朝陽老師將LFP電芯加熱到60℃其內(nèi)阻大約是25℃時的一半，產(chǎn)熱功率下降一半，跟室溫環(huán)境溫差大，散熱能力也更強（參考Nature Energy 文章Thermally modulated lithium iron phosphate batteries for mass-market electric vehicles）。所以說溫升有時候是好的，一方面降低了內(nèi)阻，另一方面也減少了析鋰風(fēng)險，只要能控制住不發(fā)生熱失控即可。一般而言，三元電池快充溫度一般控制在50℃以下，超過會大幅度限制功率，確保最高使用溫度不超過55℃。而鐵鋰電池由于安全性好，可能放寬到60℃.
綜上，適當(dāng)升溫對電芯快充是有利的，熱管理的核心是避免過度升溫導(dǎo)致熱失控而且要保證電芯溫度均勻，因為此前的研究表明，同樣的容量偏差，電芯溫差控制在5℃以內(nèi)，其循環(huán)壽命是溫差10℃的一倍（參考Chin. Phys. B,2013,22, 8,088801）。所以說要努力保證電池包內(nèi)電芯溫差控制在5℃以內(nèi)，長時間超過5℃對于循環(huán)影響很大?？刂茰夭畹碾y點在于電池包中心部位的電芯熱量很難散出，一方面需要優(yōu)化冷卻系統(tǒng)的流道設(shè)計，另一方面可以采用相變材料控制中部電芯的溫升，相變材料有利于緩解電池在發(fā)熱時的升溫情況，并且可以降低電池在工作中的溫度變化幅度。比如上汽集團智己LS7就采用了PSG相變超材料防火墻。它是一種新型復(fù)合材料，覆蓋在整個電池包上蓋的下方，可耐1000℃高溫10min以上，主要是防止電芯熱失控后明火燒出電池包外部，確保車輛和人員的安全。歐陽明高院士孵化的企業(yè) 科易動力 也利用相變材料實現(xiàn)了低溫下的預(yù)熱快充以及高溫下的快充散熱（科易動力在電池系統(tǒng)快充方面的研究比較深入，既有硬件設(shè)計，也有軟件算法，可以跟寧德時代競爭，只是規(guī)模比較小）。此外，浸沒式冷卻也有利于降低電芯溫差微宏動力快充電池系統(tǒng)此前一直采用浸沒式冷卻，冷卻液跟電池直接接觸，冷卻效果很好，有利于快充的實現(xiàn)。
科易動力快充電池方案
雖然4C以下的快充并不一定需要麒麟電池，但是良好的散熱能力確實是實現(xiàn)持續(xù)快充的基礎(chǔ)。截止到目前，雖然小鵬和廣汽都宣稱能夠?qū)崿F(xiàn)480kW快充，但其實際發(fā)布的車型其最大充電功率都與480kW相差甚遠,基本在300~350kW之間，且都是峰值不可持續(xù)的功率，這主要受限于目前電池系統(tǒng)的熱管理能力。 不過隨著電芯本身快充能力的提升，消費者的補能體驗已經(jīng)有了很大的改善：比如小鵬G6的159Ah電芯，最大充電功率280kW（超過3C, 考慮到總能量87.5kWh），10分鐘可以充到50%SOC以上，續(xù)航300km. 早前小鵬G9的磷酸鐵鋰版本(EVE電芯)，其電芯峰值充電能力也達到了3C. 而即將在成都車展發(fā)布的智己LS6, 雖然沒有采用麒麟電池，但其最大快充功率高達396kW (3.75C)，充電10分鐘續(xù)航350km，15分鐘500km, 這已經(jīng)是極速補能體驗了。再往上提升付出的成本很高，而收益卻不明顯，性價比不高。
圖片源自德鹵愛開車微博（見水?。?/p>
小結(jié)：雖然麒麟電池大面冷卻的設(shè)計方案，可以大幅度增加電芯表面的散熱面積并將充電功率提高到480kW, 但是快充電池并不一定需要麒麟電池(由于專利問題，別家電池企業(yè)也無法使用麒麟電池)。一方面，對于400kW以上的充電功率，即使是麒麟電池也無法將熱量完全散掉，既然需要電芯比熱容來吸收熱量升高溫度。另一方面，快充達到250~300kW對于大部分車型已經(jīng)足夠用了，比如小鵬G6已經(jīng)實現(xiàn)充電10min續(xù)航300km，即將發(fā)布的智己LS6號稱充電10min續(xù)航350km. 非要提高到10min續(xù)航400km，那么用戶體驗的邊際效應(yīng)遞減，電池性價比會下降（這跟智能手機快充類似，60W就足夠用了，再高對體驗提升并不明顯）。這次寧德時代發(fā)布的神行超充電池，雖然10min充電400km，但是在綜合續(xù)航里程達到了700km的情況下做到的，電池能量90kWh的話成本并不低（加上麒麟架構(gòu)可能要接近10萬元）。除了快充電芯本身的設(shè)計外，業(yè)內(nèi)的重點應(yīng)該從散熱能力轉(zhuǎn)移到均溫能力上，降低電芯溫差，這樣既可以快充，也可以保證壽命的安全，且性價比更高。