电池超快充，安全性还没有共识｜工程师来信
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「作为汽车产品的一线缔造者，工程师是最了解汽车产品和技术的人群。产品好不好，技术深不深，用料真不真，在36氪「工程师来信」栏目，你能看到更真实的一面。」 出行高峰期高速服务区充电桩前的长队、动辄30分钟以上的补能时长、加电过程中的无聊和烦躁，在相当一段时间里，这些仿佛就是纯电动车补能体验的全部。 车企与电池厂商捕捉到了用户的这一痛点，于是前有理想试图通过“5C充电”向消费者证明MEGA的确值50万元，而在“5C充电”陆续上车小鹏、极氪、岚图、星纪元等品牌后，又有“兆瓦闪充”、“超级e平台”等技术名词又问世。宁德时代甚至在比亚迪之后，将电池的充电倍率提高到了12C。 企业意在通过一系列新技术，向消费者讲述一个“充电体验比肩加油”的美好故事。 但在消费端，部分用户对超快充电池的态度，显得较为谨慎。他们对超快充电池的担忧往往集中在：5C、6C乃至12C的超快充技术是否会对电池寿命产生影响；超快充体系下，电池的安全性是否还值得信赖。 36氪在与电池工程师的交流中发现，超快充技术的确会缩短电池寿命。 但由于电池厂商在设法提高充电速度的同时，也对电池的材料、结构等，做了一系列相应改进，从而使得超快充对电池寿命的影响被控制在可接受的范围内，至少在8年、15万公里的质保期内，电池都可以正常使用。 至于超快充体系下电池的安全性，目前还没有形成共识。 电池充电的过程是锂离子离开正极、嵌入负极的过程。而在超快充过程中，锂离子的迁移速度非常快，因此它很可能来不及均匀地嵌入负极，而是在负极表面形成锂枝晶。当锂枝晶累计到一定程度，就可能影响电池寿命、容量，甚至更严重的问题，例如刺穿隔膜，造成电芯短路。 不仅如此，动力电池充放电过程本来就有呼吸效应，满电时电池体积大，空电时体积小。而超快充体系下，这种呼吸效应更明显。随着充放电次数增加，电池体积会膨胀，从而加速电池的老化。老化的电池容易产生气体造成电池鼓包，安全隐患也就随之产生。 除此之外，部分车企为了更好地满足时间敏感型用户的需求，正联合电池厂商将超快充的电量区间拓展得越来越宽，这相当于对电池厂商的热管理能力，提出了更高要求。 然而，并非所有电池厂商都能准确认识到自己的能力边界，而这无疑也会给超快充体系下，电池的安全性带来更多不确定性。 从36氪与电池从业人士的交流来看，一般电动车使用超过2-3年，上述问题的发生概率会开始加大。 基于这些考虑，一些车企并没有急于跟进超快充技术。 比如最近被热议的小米YU7，只在32.99万元的Max版上搭载了宁德时代的麒麟电池，小米官方称这款电池支持5.2C超快充。而在定价25.35万元的标准版和27.99万元的Pro版小米YU7上，电池的充电倍率在3C以内。 再比如，被戏称为“半价理想”的零跑，在动力电池的选择上，并未追随理想采用超快充电池。 除了安全问题，超快充技术还会让消费者，为充电支付更多费用。 由于目前支持5C以上超快充的电池，普遍需要通过强力水冷散热，但在开启水冷的条件下进行强冷充电，必然会消耗更多电量，因此用户需要为充电花更多钱。 「对话人士：A，十余年头部车企电池经验」 36氪汽车：今年以来，行业推出了10C、12C超快充技术，这会对电池寿命产生影响吗？具体会产生多大程度的影响？ A:超快充肯定会对电池寿命产生影响，但这种影响在可控、可接受的范围内。因为电池厂商在研发超快充技术的时候，都会考虑到整车的设计寿命，所以电池寿命即使有衰减，也肯定能满足8年15万公里的电池质保。 厂家测试超快充对电池寿命影响的方法是，从电池健康度是100%的时候，对电池进行超快充，等电池衰减到75%的时候停下，然后计算这个过程中电池经历了几次循环。 当然不同的厂商在测试条件上会有些细微差别，所以测出来的循环寿命也会有所不同，低的可能是700圈，还有的可能是1000圈，更高的也有。 这是因为有些厂家是在电池衰减到70%的时候才停，这样测出来的循环寿命肯定会更长；而有的厂家标准比较高，衰减到80%就停了，这样测出来的寿命肯定就短。目前行业主流的做法，是在电池衰减到75%的时候停下。 按照现在电池厂商设计的续航里程，循环一次就是好几百公里，所以说超快充体系下的电池肯定能满足3年15万公里的质保。 36氪汽车：超快充技术缩短电池寿命，这背后的原理是什么？ A：超快充技术会影响电池寿命，主要是因为析锂，以及充放电过程中的膨胀会破坏电池微观结构，还有SEI膜破裂重新生成，会消耗电池中活性物质。 超快充过程中，锂离子的迁移速度非常快，它离开正极后，很可能来不及均匀地嵌入负极，这就会在负极表面形成锂枝晶。 而且动力电池充放电过程本来就有呼吸效应，满电时电池体积大，空电时体积小，而超快充体系下，这种呼吸效应更明显。随着电池的循环次数增加，电池的体积也会膨胀，电池的老化被加速。电池老化具体表现为，SEI膜增厚，内阻增大等等。 还有电池首次充放电时，电解液和电池负极发生反应，会在负极表面形成SEI膜。随着时间推移，SEI膜会破裂，破裂后SEI膜又会重新生成，每次生产SEI膜都会消耗电池中的活性物质，而超快充加速了SEI膜的破裂。 36氪汽车：不同材料体系的电池，超快充对它们的循环寿命的影响程度是否会有差异？ A：对三元锂电池的影响会更大一点，因为三元锂这种材料是层状的，相较磷酸铁锂这种橄榄型的材料，三元锂更容易被破坏。在高压条件下，三元锂电池的副反应也会增加。而且磷酸铁锂电池的寿命本来就长，所以受超快充的影响小。 36氪汽车：在南北方不同的环境温度下，使用超快充技术对电池寿命的影响程度是否会有所不同？ A：温度的影响很小。动力电池都是有电磁波保护的，在低温下它会给电池加热，高温下会给电池降温。但外部环境也不能过高或者过低，比如高到40或50摄氏度，低到零下30摄氏度。温度太高，动力电池的电化学反应过于剧烈，消耗的锂离子会增加；温度太低，电解液过于黏稠，动力电池内部的电化学反应就会很艰难。不过，我们很少会遇到这么极端的气候情况。 36氪汽车：电池厂商在研发超快充技术时，会对电池材料做哪些相应调整？ A：先说电池负极材料。现在常用的负极材料人造石墨是层状的，要做快充电池，首先要把石墨层间距扩大，这相当于把锂离子迁入的通道扩大了；然后要把颗粒做得更小，因为颗粒越大，锂离子迁移的通道就会越长，把颗粒做小，就相当于把锂离子迁入的路径缩短了。 但负极材料还要兼顾能量密度和充电速率，所以需要做大小颗粒的掺混。小颗粒太多，电池存储的性能会下降，而且小颗粒多了，比表面积就会增多，副反应越剧烈。 这样一来，电池负极的原材料肯定会发生改变。比如原本原材料用的是针状焦，现在就要换成石油胶，因为针状焦是长条形的，而石油焦是颗粒状的、圆的，能缩短锂离子的迁移路径。 不仅如此，还要在石墨外做好软碳包覆。碳包覆层可以提供额外的电子传输路径，降低反应的阻抗。而且在负极外做包覆，也能保护负极，不让它和电解液产生太多负反应，同时提高负极的稳定性、抑止它在充放电过程中的膨胀。 电池的正极材料也要兼顾能量密度和充电速率，所以也需要做大小颗粒的掺混。此外，还要采用二烧工艺，用石墨、碳、石墨烯等做包覆，原理和负极材料差不多，都是为了缩短锂离子迁移路径，减少锂离子嵌入时的阻抗。 电解液层面上的变化，无非就是电解液的添加剂会改变，主要目的是要增加离子的迁移系数，控制SEI膜的形成。这个添加剂可能是新型锂、VC（碳酸亚乙烯酯），也有用FEC（氟代碳酸乙烯酯）的，还有一些厂商自己开发的合成的。 36氪汽车：除了材料，电池的制造工艺、结构设计等方面，会有哪些变化？ A：工艺上，最核心的是要把极片涂布变薄，从而缩短锂离子的传输路径。6C以上的充电倍率，涂布厚度需要减少1/3。同时还需要用到分层涂布工艺。 除此之外，快充电池的电流变大了，负极的铜箔也要相应做得更厚，极耳要做成全极耳。 在结构层面，主要是要考虑到电池的散热、过流能力。电池盖板上有极柱，原先只有一个，现在变成双极柱，电池的散热通道就会增加；原来是单极耳，现在要变成全极耳，电池的过流率就会提高。 顺便说下电池包层级，快充比较大的难点是散热。电池包内要加大冷却面积，优化流道设计。还要和整车的冷却能力、空调等东西结合在一起，要提高电池和整车的换热系数。 尤其是极柱那个位置，因为它是热量散发的通道，这也就意味着所有的热量都集中在极柱上，所以热管理尤其要加强。 除此之外，快充电压变大了，电流变大了，相应的线束就要变粗，所有的高压继电器都要换；BMS算法也要调整，快充技术让电流变大了，这就要求算法对电流、电压的精度、时间控制要更精确，比如磷酸铁锂系列的电压采集精度要做到3%以内；充电桩充电桩的功率、散热也要跟得上。所以说快充电池带来的改变是一整套的、系统性的改变。 「对话人士：Q，多年头部车企电池经验」 36氪汽车：超快充体系下，电池的安全性还值得信任吗？ Q：电池的安全，分主动安全和被动安全。主动安全是指，借助水冷，整个电池包的热扩散控制效果；被动安全是指，关闭水冷后，仅依靠电池自身的设计，做到热扩散控制。 在电芯层面，至少在6C以下，1-2年内，超快充电池不会有太大风险。 目前市面上的超快充电池，几乎都只能做到主动安全，也就是必须借助水冷，不然充电时的温度会快速上升。这就对电池热管理系统的可靠性设计，提出了比较高的要求。 但对消费者来说，在开启水冷之后进行强冷充电，肯定会消耗更多电量，这样消费者花的钱就会更多。 36氪汽车：超快充体系下的动力电池有硬性的热管理的要求吗？…