近年來，在能源轉(zhuǎn)型、汽車產(chǎn)業(yè)彎道超車、減少化石能源依賴、治理環(huán)保的綜合考慮下，我國開始大力發(fā)展動(dòng)力電池和新能源汽車相關(guān)產(chǎn)業(yè)。國家在此方面投入了大量的人力物力財(cái)力，從科研支撐到汽車配套政策再到補(bǔ)貼優(yōu)惠都做足了文章。在這樣的大背景下，中國的動(dòng)力電池相關(guān)行業(yè)迅速發(fā)展，電動(dòng)汽車也開始讓大家熟悉起來。隨著對(duì)電動(dòng)汽車的了解的增多，人們開始對(duì)于電動(dòng)汽車有了越來越高的期待：期待它可以像汽油車一樣便宜，一樣加一次油/充一次電跑600公里，一樣一次加油/充電只需要幾分鐘等等……在這樣的期待下，科研界和工業(yè)界一直在努力向著這些方向努力。然而近幾年來，細(xì)心的朋友可能發(fā)現(xiàn)，類似的“幾分鐘充滿電”、“顛覆性”、“中東完了”的“大新聞”鋪天蓋地，但是真正算的上讓人耳目一新又真正改變或即將影響我們生活的實(shí)質(zhì)性進(jìn)展卻又沒那么多。在本文中，筆者將重點(diǎn)以快充(比如X分鐘充滿電)這一視角切入，分析快充相關(guān)技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀與問題，以及相關(guān)新聞炒作的由來，供大家更好地理解快充，也可以更好地理解動(dòng)力電池行業(yè)與新能源汽車行業(yè)。
什么是快充？大家為什么如此關(guān)注快充？
如果我們通俗的下定義，當(dāng)然就是給電動(dòng)汽車（的電池）用比較快的速率來充電。當(dāng)然在這里，多快算快充，多快不算之間恐怕就沒有那么明確的區(qū)分點(diǎn)了。但是對(duì)于一般的電池/電動(dòng)汽車來講，目前公認(rèn)的快充有Tesla的super charge，大約半小時(shí)可以充80%的電，以及其它幾種汽車，大概是2~3小時(shí)級(jí)。那么在這里，可以先粗略定義一下，對(duì)于電動(dòng)汽車來說，快充就是小時(shí)級(jí)左右時(shí)間能充滿電的制度。
而相對(duì)比，電動(dòng)汽車的慢充常常長(zhǎng)達(dá)6小時(shí)以上，因此為了想要慢充，停車過夜慢慢充電常常是必須的選擇。而實(shí)際上，慢充電池也是具有電化學(xué)行業(yè)經(jīng)驗(yàn)的人常常建議大家做的事情：簡(jiǎn)單說就是快充對(duì)于電池的質(zhì)量要求很高，而且大電流下電池的反應(yīng)條件過于苛刻劇烈，偏離平衡態(tài)較遠(yuǎn)，對(duì)于電池的壽命有較大的損失，安全系數(shù)會(huì)明顯下降，因此沒有必要的時(shí)候盡量少做。而慢充就可以很好的避免這些問題。
說到這里，筆者想加一句，其實(shí)對(duì)于手機(jī)電池，快充造成的影響基本也一樣，只不過區(qū)別在于，手機(jī)這樣的消費(fèi)電子品淘汰快，一個(gè)手機(jī)里的電池也只值十到幾十塊錢，壞了大不了換，對(duì)你沒什么大損失，所以手機(jī)電池用起來怎么開心怎么來就好了；而對(duì)于汽車，一輛汽車上的電池動(dòng)輒價(jià)值萬元，用壞了一會(huì)造成危險(xiǎn)，二會(huì)貶值，三會(huì)影響續(xù)航，所以對(duì)于電動(dòng)汽車的電池，真的應(yīng)該認(rèn)真使用，因?yàn)楹褪謾C(jī)完全不在一個(gè)量級(jí)上。
然而社會(huì)上的大多數(shù)人畢竟不是電化學(xué)專業(yè)出身，很多人對(duì)于汽車、電化學(xué)、電網(wǎng)相關(guān)的基本信息了解甚少。在對(duì)電動(dòng)汽車的期待、電池的一些進(jìn)展容易被外行曲解、資本方希望熱炒動(dòng)力電池新能源題裁等諸多因素交織下，快速充電方面形成了一個(gè)又一個(gè)的大新聞。接下來，筆者將對(duì)這幾個(gè)因素進(jìn)行分析，指明這些新聞產(chǎn)生的原因。
為什么快充新聞多？因?yàn)殡姵匦阅芾飭渭兲嵘潆娝俣认鄬?duì)比較容易。
首先用自問自答的形式展開此部分。電池其實(shí)有幾大核心要素，安全性，成本，能量密度，功率密度等，其中能量和功率密度常常是魚與熊掌不可兼得的。能量密度高的電池，活性物質(zhì)涂的厚，導(dǎo)電劑用的少，相應(yīng)的在高功率的時(shí)候工作能力就差一些；而功率密度高的電池恰好相反。此時(shí)大家就可能問了，那為什么能量密度提高的新聞相比之下少很多呢？
對(duì)于電池來說，往往魚與熊掌不可兼得
很簡(jiǎn)單，因?yàn)槟芰棵芏仍诂F(xiàn)有的電化學(xué)體系下，都是有理論上限值的，我們能做的就是不斷逼近極限，而不可能超過，這是科學(xué)和自然規(guī)律。比如現(xiàn)在的NCA18650電池大概是220WH/kg基本就是接近極限的數(shù)據(jù)。想再提高？有些難，可能換材料體系，比如負(fù)極用硅是一個(gè)更好的選擇。然而功率密度就不一樣了，如果你把能量密度犧牲一些，功率密度自然可以有所提高，而如果無限制的把材料納米化，導(dǎo)電劑多加，做的材料夠小夠少，功率密度自然很容易再創(chuàng)新高，這就是我們看到的諸多納米材料性能突破的新聞的由來，但是這很多是靠犧牲其它性能得來的，新聞里往往報(bào)喜不報(bào)憂。當(dāng)然了，如果把這些材料落實(shí)到量產(chǎn)的電池上，要是真的只是考慮功率密度一個(gè)特性而不過多的強(qiáng)調(diào)其它性能，那這類電池做出來其實(shí)并沒有大家想像的困難：以最近的一款新上市的某快充型充電寶為例，此電池自始至終都沒說自己一節(jié)電池容量是多少，能量密度是多少Wh/kg，只是一直在強(qiáng)調(diào)自己可以快充充滿——的確，如果自己把能量密度都犧牲了用來達(dá)到功率密度的提升，當(dāng)然可以很快充滿了，這算不上什么技術(shù)上的大進(jìn)步。
但是，如果能把功率和能量密度做一個(gè)盡量的平衡，那得到的電池就很厲害了，日韓很多廠家的高功率動(dòng)力電池都具有這樣的特性，產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力很強(qiáng)，很多都可以在分鐘級(jí)充放完全，能量密度、成本和安全控制也比較好，這才是我們真正要小心的對(duì)手。
某外國廠商的高功率電池性能出色
在這里要補(bǔ)充一句，電池都可以快充，只是一般情況下為了安全等綜合因素，大多數(shù)的手機(jī)，汽車對(duì)于充電電流都做了嚴(yán)格的限定，用電池管理系統(tǒng)BMS做了保護(hù)。所以大家不要看見了快充的新聞就興奮，他們只是把你見的電池?fù)赋鰜韱为?dú)用快速充電充了一下給你看而已。當(dāng)然了，可能他們電池做的不錯(cuò)，但是還有更多的因素需要關(guān)注，比如能量，比如成本。而且真正落實(shí)在工業(yè)中的快充技術(shù)，遠(yuǎn)不是做個(gè)充電寶，說自己幾分鐘充滿就大功告成了，需要克服的困難還多著呢。
為了快充的大新聞，科研、工業(yè)界以及新聞界的路數(shù)？
剛才說了，能量密度是有理論上限的，超了這個(gè)上限基本相當(dāng)于你當(dāng)造物主重新創(chuàng)了一個(gè)世界，這事一聽就不靠譜。既然想把能量密度踏實(shí)做上去是比較難的，那么大家更多地選擇了去突破功率密度。一來功率密度算是沒有理論上限的（其實(shí)也不完全見得），二是功率密度做好了很容易就演變成X分鐘X秒鐘充滿電的大新聞，再加上鋰電表兄弟超級(jí)電容的摻和（這個(gè)本來就是只為了快充放而生的，能量密度特別低，用它全裝車走不了多遠(yuǎn)就要一充，希望大家明白），很容易炒出一片欣欣向榮的革命形式一片大好的一顆賽艇的景象。
科研新聞中常見的快充新聞路數(shù)有：1）做成納米材料-高比表面積，擴(kuò)散距離短，反應(yīng)動(dòng)力學(xué)快。2）做一個(gè)薄電極，多用導(dǎo)電劑，這樣可以最大化功率輸出。3）實(shí)驗(yàn)室做出一個(gè)0.1g的樣品，計(jì)算一下可以7秒充滿，OK，算一下能量密度，如果折合成電動(dòng)汽車X度電的電池可以支持跑35公里，OK，寫一個(gè)新聞。接下來進(jìn)行一下相應(yīng)的點(diǎn)評(píng)。
納米材料-高比表面積路線，這個(gè)路數(shù)對(duì)于科研自然沒問題，可惜的是對(duì)于現(xiàn)在的鋰電工業(yè)的實(shí)際要求基本無異與背道而馳。現(xiàn)在的鋰電工業(yè)要求材料最好不要太細(xì)（磷酸鐵鋰稍有例外但是大原則也一樣），微米級(jí)材料比納米材料更受歡迎，因?yàn)槠浔缺砻娣e小，副反應(yīng)少，漿料易于準(zhǔn)備，電池的安全性壽命都要好一些，所以其實(shí)納米材料在電池工業(yè)界中一直是一個(gè)爭(zhēng)議較大的話題。而做薄電極，多用電導(dǎo)劑，通過犧牲能量密度的方法，自然把功率密度提上來了，基本思路就是想一白遮百丑——其實(shí)這種新聞，你只要追問他，你沒報(bào)的那幾個(gè)性能倒底如何，基本該技術(shù)含金量如何也就出來了。而至于那種實(shí)驗(yàn)室做個(gè)小樣，乘以多少倍直接推出電動(dòng)車可以跑35公里的人，筆者只能無奈的表示：你沒在工廠值過班，沒上過中試線，沒做過工業(yè)，沒有基本的工業(yè)素養(yǎng)，不懂得中國制造是怎么流血流汗地做成世界工廠的，只能說：TOO SIMPLE, SOMETIMES NAIVE.
說到這里，筆者想起自己和某廠家進(jìn)行面對(duì)面交流，對(duì)方在加入某添加劑后，電池的功率性能上升，但是能量密度，不論是體積的還是質(zhì)量的都下降了近10%，結(jié)果我就追問：是不是添加劑讓功率性能上升的同時(shí)導(dǎo)致了能量密度的下降？對(duì)方忙忙辯解說這其實(shí)是兩個(gè)電池，不是一回事。后來也就沒有硬要讓他們回答，因?yàn)橐呀?jīng)比較明顯了。
此外，使用納米材料做高功率電池還有一個(gè)大問題，就是納米材料比表面積大，大多相應(yīng)的體積密度也低，會(huì)帶來體積能量密度降低——有時(shí)甚至能直接導(dǎo)致體積功率密度也變得很不理想。要知道我們用的很多電池不只要求輕，還要要求小。此時(shí)光說質(zhì)量相關(guān)的參數(shù)，不說體積方面的內(nèi)容，無異于——耍-流-氓。
筆者在這里批評(píng)納米材料，不是說這種材料的科研沒有意義。實(shí)際上，人類科研中的大部分成果可能99%都會(huì)進(jìn)入圖書館，只有很少的1%會(huì)形成真正的轉(zhuǎn)化，推動(dòng)社會(huì)的進(jìn)步。但是你不能說這99%就沒有意義，它對(duì)于人們豐富和深化對(duì)世界的理解，訓(xùn)練人才是很有意義的，但是——如果只是科研上的進(jìn)步，尤其是明知其對(duì)于工業(yè)的影響促進(jìn)作用有限，還非要迎合一些別有用心的資本、利益集團(tuán)的企圖來無限夸大自己研究的意義的話，就是他們的不對(duì)了。
此處還要再插一嘴，在快充的大新聞方面，眾多缺乏基本物理常識(shí)的記者寫出的各種奇葩新聞稿也是一大關(guān)鍵貢獻(xiàn)力量。然而表面上是如此，實(shí)際上是不是有無數(shù)炒作的資本在此后動(dòng)作，通過鼓動(dòng)授意記者寫稿來達(dá)到宣傳某些快充技術(shù)，以達(dá)到炒高股價(jià)，維系利益的目的，就是一個(gè)值得思考的有趣問題了。
快充，只是材料和電池人的工作嗎？
快充的電池，首先要做材料，然后要做成電池，最后要用還要落實(shí)到電動(dòng)汽車的電池組，以及電網(wǎng)中的儲(chǔ)能電站中。那么想要成功應(yīng)用這些技術(shù)，就要一個(gè)個(gè)環(huán)節(jié)來看。
剛才的一部分說了，做電池，如果只是實(shí)驗(yàn)室做一個(gè)小樣，薄薄一層，自然很容易。但是如果想做成一個(gè)幾AH的軟包或者18650電池，需要考慮的因素就已經(jīng)是多方面的了：材料的成本，比表面積，能量密度，功率密度等等，做電池需要幾十道工序，每一道都要嚴(yán)格控制條件工藝，才能做出質(zhì)量上乘的產(chǎn)品，這也是日韓電池領(lǐng)先于我們的主要原因——管理控制更為嚴(yán)格規(guī)范。
那做出一節(jié)電池后呢？是不是這節(jié)單體電池就可以任性充電了呢？
以這里依然要引一篇老爭(zhēng)議文：MIT CEDER教授的文章Battery materials for ultrafast charging and discharging，聲稱其納米材料可以幾十C，對(duì)應(yīng)于1~2分鐘充放完全，但是鋰電泰斗Goodenough、Mauger、Julien教授馬上就質(zhì)疑了該工作，發(fā)表了文章Unsupported claims of ultrafast charging of LiFePO4 Li-ion batteries，認(rèn)為這些成果最多也就是在概念上可行而已，因?yàn)椋号e例60C（1分鐘充電）與1C（60分鐘充電）相比，發(fā)熱量按焦耳定律計(jì)算，是3600倍！3600倍！想想你的電池會(huì)燙成什么樣！而如果更快的充電，這個(gè)差別還要更大。如果把這個(gè)結(jié)果推給一量15kWh電量的電動(dòng)汽車，充電的發(fā)熱量足夠給好幾層樓供暖。這里可以參考知乎上的一個(gè)回答：https://www.zhihu.com/question/23831848/answer/62865051
其實(shí)我在這里想說的就是一點(diǎn)：即使只是一節(jié)電池單體的快速充電，其要克服的困難（物理定律上的極限）也是很大的。而很多快充的文章，在此方面根本就是在挑戰(zhàn)大家所學(xué)的初中物理知識(shí)的基礎(chǔ)，是違背常識(shí)的。比如7秒充電跑35公里，基本就是合1000KW以上的充電功率，大概需要腿一樣粗的電線……
在此處，筆者的朋友都喜歡調(diào)侃，說“總是一言不合就算充電功率”。
問題是我不算充電功率，還能先算什么？這只是第一步。
其實(shí)以上還沒完，即使是單節(jié)電池大電流充電真的大丈夫，熱量散的出去?？墒请妱?dòng)車用電不是一節(jié)節(jié)單用的，是好多節(jié)電池串并得來的——電池要串聯(lián)，要求必須要有極其良好的一致性，就是每節(jié)的容量都要一樣，否則充電的時(shí)候，一個(gè)沒充滿，一個(gè)過充了，危險(xiǎn)就會(huì)非常大。而如果此時(shí)你用的是快充而不是慢充的話……危險(xiǎn)系數(shù)……我已經(jīng)不知道要再乘幾了，估計(jì)再加個(gè)平方還比較可行。今年年初挪威燒了一輛正在快充的TESLA，就是證明?？斐浔嚷?，就是危險(xiǎn)，這是事實(shí)。
扯句題外話，有人會(huì)在我的文章下，說一堆情懷的話，意思是XX發(fā)明出來的時(shí)候也不看好，后來不是也流行了嗎，不能用保守的觀點(diǎn)看問題BLABLABLA，總之就是情懷黨：你說技術(shù)，他講情懷。在這里我想到的是美國的總統(tǒng)候選人Trump，他就說拒絕把政治正確凌駕于常識(shí)之上（They put political correctness above common sense. I refuse to be politically correct."），在此，我也想類似的說一句話：在快充方面，我拒絕把情懷凌駕于常識(shí)之上。
所以想要任性快充？你得問問電網(wǎng)喜歡不喜歡。
其實(shí)電力系統(tǒng)肯定是支持電動(dòng)汽車行業(yè)的發(fā)展的，這可以豐富電網(wǎng)的業(yè)態(tài)，提供新的增長(zhǎng)點(diǎn)，產(chǎn)生新的服務(wù)，而且電動(dòng)汽車的負(fù)荷如果優(yōu)化調(diào)配，還可以配合電網(wǎng)的工作，降低電網(wǎng)的運(yùn)行壓力。
但是問題來了，怎么叫“優(yōu)化調(diào)配”呢？
電池儲(chǔ)能的削峰填谷作用，可以降低電網(wǎng)負(fù)擔(dān)，電動(dòng)汽車的負(fù)荷如何優(yōu)化運(yùn)行，也可以實(shí)現(xiàn)如圖的效果效果
電網(wǎng)希望電動(dòng)汽車充電，最好都在夜里可以消納夜間的富余電能，減少電網(wǎng)的負(fù)擔(dān)，可以起到變相的儲(chǔ)能作用。而且電網(wǎng)希望電動(dòng)汽車負(fù)荷接入的不要過快——單點(diǎn)極大負(fù)荷的接入肯定是要對(duì)電網(wǎng)造成很大負(fù)擔(dān)的。要知道即使是一個(gè)慢充樁功率也有幾KW，這已經(jīng)不是一個(gè)小數(shù)目了，涉及到了很多安全用電、電網(wǎng)穩(wěn)定、擴(kuò)容等方面的問題，此時(shí)再考慮到物業(yè)、用電穩(wěn)定等方面的客觀原因限制，慢充滿推進(jìn)的不太順利其實(shí)不難理解。而此時(shí)再換成一個(gè)幾十KW功率的快充樁——電網(wǎng)運(yùn)營一定頭疼：這么大的功率忽然引入，這得給電網(wǎng)增加多大的負(fù)擔(dān)，帶來多少挑戰(zhàn)？如果是寫字樓里呢？影響了商業(yè)用電穩(wěn)定，被要求索賠怎么辦？工業(yè)區(qū)也一樣，萬一大功率電器引入影響了供電穩(wěn)定，造成了工業(yè)生產(chǎn)損失怎么辦？所以快充樁推進(jìn)的更不順利就更好理解了。
此外，電網(wǎng)現(xiàn)在很多都開始落實(shí)峰谷電價(jià)，也是為了鼓勵(lì)大家在用電低峰期用電。此時(shí)，慢充是比較符合電網(wǎng)胃口的——可以晚上充，而且對(duì)消費(fèi)者也比較實(shí)惠。而快充，大多都是在白天，此時(shí)電網(wǎng)負(fù)擔(dān)本來就重，峰值電價(jià)對(duì)于消費(fèi)者也不太劃算。前幾天有一個(gè)新聞“車主調(diào)查：北京城區(qū)近八成公共快充樁不能用！”：正兒八經(jīng)到充電站就能充的快充樁不足3成。其實(shí)很容易解釋：慢充樁運(yùn)行還好，快充樁是真的有很多問題和困難。而且考慮到下一部分的觀點(diǎn)，個(gè)人還是更支持慢充樁。
某地的峰谷電價(jià)規(guī)定明細(xì)
個(gè)人觀點(diǎn)：對(duì)于電動(dòng)汽車，能量密度>功率密度，即續(xù)航里程比快充放更為重要。
我想問大家：現(xiàn)在電動(dòng)汽車的最主要矛盾是什么？是不是“跑不遠(yuǎn)”？
如果能續(xù)航有所提升，跑的遠(yuǎn)一點(diǎn)，充電慢一些是不是也可以接受呢？比如一次充電可以跑700公里，但是充電要半天左右，而慢充樁鋪設(shè)又比較容易，你愿不愿意開車到500公里外的地方辦事，去玩，然后充一晚上電，第二天繼續(xù)辦事？是不是并不困難。
然而快充呢？對(duì)電池一致、安全性，電網(wǎng)負(fù)擔(dān)要求考驗(yàn)都極高，甚至連用電成本也高……頻繁快充，電網(wǎng)受不了，電池壽命會(huì)下降，而且安全上面的隱患極大。
總之，個(gè)人認(rèn)為在這里，沒有那么多復(fù)雜的因素要考慮：對(duì)于純電動(dòng)汽車來說，能量密度比功率密度更重要。注意，我不是說功率密度不重要不重要不重要，我只是在強(qiáng)調(diào)能量密度更重要更重要更重要，重要的事情說三遍。
當(dāng)然，在一些其它場(chǎng)合，比如頻繁停車的公交，比如混動(dòng)汽車上，功率型電池更為合適，快充也更適合，但是這些就是另一些場(chǎng)景了。在本文中，將不會(huì)對(duì)這些場(chǎng)景展開分析，觀點(diǎn)仍然重申一遍：對(duì)于純電動(dòng)汽車來說，能量密度比功率密度更重要。
結(jié)語：
光說自己幾分鐘充滿，其它性能都不說，尤其是不說每WH成本，不說能量的體積/質(zhì)量密度的快充技術(shù)，都是在耍流氓。快充對(duì)于電池、汽車、電網(wǎng)的要求非常高，個(gè)人認(rèn)為相比之下，慢充更靠譜。筆者是快充黑一枚。觀點(diǎn)僅代表本人，不代表單位立場(chǎng)。
作者是清華大學(xué)能源互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新研究院副研究員，高級(jí)工程師。2012年畢業(yè)于清華大學(xué)材料系，獲工學(xué)博士學(xué)位；2011年曾赴德國TU Darmstadt學(xué)習(xí)電化學(xué)。研究領(lǐng)域主要為無機(jī)材料、能源材料、鋰離子電池、儲(chǔ)能技術(shù)和能源互聯(lián)網(wǎng)。