如何跨越電動(dòng)車滲透率鴻溝解決超快充瓶頸

跨越電動(dòng)車滲透率鴻溝，需解決快充瓶頸對(duì)于新興行業(yè)，其早期市場(chǎng)與主流市場(chǎng)之間存在一條巨大的鴻溝，能否跨越鴻溝，贏得實(shí)用主義者的支持，進(jìn)而成為主流市場(chǎng)，決定了行業(yè)的成敗。我們?cè)谙盗袌?bào)告第一篇《解決消費(fèi)者核心需求，尋找動(dòng)力電池發(fā)展的主旋律》中我們已經(jīng)提到，雖然當(dāng)前新能源車滲透率已經(jīng)迅速攀升至0以上，但其消費(fèi)群體仍然保持了創(chuàng)新者和早期使者的特征，當(dāng)前消費(fèi)者以換購(gòu)和增購(gòu)家庭為主，其購(gòu)車動(dòng)力更多源于對(duì)于新產(chǎn)品的偏好，新能源車相對(duì)于燃油車的差異化與亮點(diǎn)是主要的驅(qū)動(dòng)因素。新能源車市場(chǎng)當(dāng)前正處在跨越鴻溝的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，要贏得主流消費(fèi)者的支持，還需要補(bǔ)齊續(xù)航、快充和安全三大短板，其中快充正逐漸成為行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的下一條主賽道。圖1“鴻溝理論”的客戶分布《跨越鴻溝圖2：新能源汽車滲透率已顯著提升單位輛) 銷量 滲透率,0,0,0,0,0,0,0,00

/1/1/3/5/7/9/1/1/3/5/7/9/1/1/3/5/7/9/1/1/3/5/7/9/1/1/3/5/7/9/1乘聯(lián)會(huì)，在電動(dòng)汽車發(fā)展初期，續(xù)航里程不足的矛盾相對(duì)更加突出，獲得優(yōu)先發(fā)展。電動(dòng)汽車購(gòu)車補(bǔ)貼主要以車輛續(xù)航里程以及動(dòng)力電池能量密度為評(píng)價(jià)指標(biāo)確定補(bǔ)貼額度，消費(fèi)者需求疊加政策鼓勵(lì)使得在此期間動(dòng)力電池的能量密度，以及純電動(dòng)汽車的續(xù)航里程迅速提高。圖3：歷年上市車型最大標(biāo)稱續(xù)航單位m)0乘聯(lián)會(huì)，

年前 年 年 年 年 年 年相比之下，快充整體發(fā)展相對(duì)滯后，但趨勢(shì)已顯。從2012022新上市車型平均快充長(zhǎng)基本保持在60h之間，未體現(xiàn)出下降趨勢(shì)；但最小快充時(shí)長(zhǎng)自2020年開(kāi)始從h下降到1h。圖4：歷年新上市車型平均及最小快充時(shí)長(zhǎng)單位小時(shí)) 平均快充時(shí)長(zhǎng) 最小快充時(shí)長(zhǎng).3.3.8.1.1.3.1.5 .5 .5.2.7.7.0.0.0.0.0.0.0.0年 年 年 年 年 年懂車帝，補(bǔ)貼退坡、新車平均標(biāo)稱續(xù)航超500km、純電動(dòng)長(zhǎng)途出行場(chǎng)景增多三方面的邊際變化將驅(qū)動(dòng)快充發(fā)展提速：新能源汽車補(bǔ)貼逐步退坡，到2023年完全取消，政策面對(duì)續(xù)航里程和能量密度的指引減弱。2022年新上市車型的平標(biāo)稱續(xù)航里程已經(jīng)超過(guò)500，基本可以滿足消費(fèi)者在冬季之外的長(zhǎng)短途出行。繼續(xù)提高帶電量和續(xù)航里程，主要是為了滿足在冬季低溫和夏季高溫下的出行需求。續(xù)航里程的提升帶動(dòng)純電動(dòng)汽車長(zhǎng)途出行場(chǎng)景增多，反過(guò)來(lái)促進(jìn)了消費(fèi)者對(duì)途中快充的需求。快充的實(shí)現(xiàn)需要?jiǎng)恿﹄姵睾统潆娫O(shè)施的共同發(fā)力，將帶動(dòng)高倍率電池和高壓快充系統(tǒng)的迅速發(fā)展，其中兼顧高倍率和高能量密度的動(dòng)力電池是實(shí)現(xiàn)快充的重要技術(shù)基礎(chǔ)。表1：純電動(dòng)汽車補(bǔ)貼及退坡情況車型/電池類型20182019202020212022車型補(bǔ)貼（萬(wàn)元）150-20m1.5200-20m2.4250-30m3.41.8300-40m4.51.81.621.621.3≥400m52.52.252.251.8能量密度調(diào)整系數(shù)105-1Wkg0.6120-1Wkg1125-1Wkg10.80.80.80.8140-1Wkg1.10.90.90.90.9≥16Wkg1.21111工信部，超快充為何難：需平衡兼顧倍率與能量密度，負(fù)極主要瓶頸產(chǎn)品視：倍能與電容量量密度兼顧單方面追求倍率性能并非技術(shù)瓶頸。從現(xiàn)有高倍率電池的產(chǎn)品數(shù)據(jù)來(lái)看，很多容量在10h以的小動(dòng)力電芯已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)1C甚至20C以上的充電倍率，這說(shuō)明對(duì)于混動(dòng)電池、電動(dòng)工具電池等這類主要需求倍率性能，對(duì)電芯容量、能量密度要求不高的應(yīng)用場(chǎng)景，做到很高的充電倍率并非技術(shù)瓶頸。反觀純電動(dòng)車用動(dòng)力電池，目前常見(jiàn)的電芯持續(xù)充電倍率都在1C左右，快充產(chǎn)品的充電倍率往也僅在2-4。其與小動(dòng)力電芯的需求差異主要在于，純電動(dòng)車用動(dòng)力電池除了需要較高的充電倍率之外，還需要較大的單體容量以及較高的能量密度以滿足較大的系統(tǒng)帶電量需求。因此，從產(chǎn)品視角來(lái)看，目前純電動(dòng)車用電芯滿足快充需求的關(guān)鍵難點(diǎn)在于平衡兼顧電芯的倍率需求及容量、能量密度需求。表2：常見(jiàn)高倍率小動(dòng)力電芯技術(shù)參數(shù)對(duì)照型號(hào)標(biāo)稱容量持續(xù)放電倍率持續(xù)充電倍率能量密度應(yīng)用領(lǐng)域天鵬-505h2C0.5C26Wkg電動(dòng)自行車天鵬-40G4h1C2C21Wkg電動(dòng)工具天鵬-15SG1.5h20C4C12Wkg電動(dòng)工具捷威-37Ah37h8C4C18WkgPHEV捷威-5.2Ah5.2h30C25C12Wkg數(shù)據(jù)來(lái)源：天鵬電源，捷威動(dòng)力，表3：純電動(dòng)車快充動(dòng)力電池參數(shù)對(duì)照電池30-80充電時(shí)長(zhǎng)電芯容量K能量密度寧德時(shí)代阿維塔1長(zhǎng)續(xù)航版15mn(2C）-18Wkg欣旺達(dá)小鵬93C16mn(2C）74Ah16Wkg巨灣技研AionVls3C10mn(358Ah133W/kg巨灣技研AionVls6C5min(630Ah128W/kg阿維塔，懂車帝，電池中國(guó)網(wǎng)，原理視：極成電池?zé)?、析鋰、量損負(fù)極主要瓶頸極化的本質(zhì)是電池內(nèi)阻使得內(nèi)電路離子與電子的中和過(guò)程跟不上外電路電子的遷移速率，造成電極電位偏離平衡電位的現(xiàn)象。當(dāng)電池?zé)o電流通過(guò)時(shí)，其兩極之間的電位差為電池的平衡電位。當(dāng)有電流通過(guò)時(shí)，實(shí)際上出現(xiàn)了電子與離子兩個(gè)流通過(guò)程：其中外電路為電子的流動(dòng)，它起著在電極表面累積電荷使電極電位偏離平衡狀態(tài)的作用，也即極化作用；內(nèi)電路為離子的遷移，它起著吸收電子運(yùn)動(dòng)所傳遞的電荷使電極電位恢復(fù)平衡態(tài)的作用，也即去極化作用。由于內(nèi)電路離子遷移的阻力往往遠(yuǎn)大于外電路電子遷移的阻力，就產(chǎn)生了極化現(xiàn)象。充放電倍率越大、電池內(nèi)部離子遷移、反應(yīng)的速度越慢（阻力越大），所產(chǎn)生的極化問(wèn)題越嚴(yán)重。圖5：充放電過(guò)程電池極化示意《電化學(xué)原理——李荻》，在快充過(guò)程中，極化現(xiàn)象造成“正極電位偏高，負(fù)極電位偏低”，進(jìn)而導(dǎo)致的負(fù)極析鋰、容量損失的以及電池產(chǎn)熱是電芯實(shí)超快充的主要障礙。負(fù)極析鋰：石墨的嵌鋰電位僅為0.10.2V，與鋰的析出電位0V非常接近。快充過(guò)程中，嚴(yán)重極化現(xiàn)象容易使得負(fù)極電位降到0V的析鋰電位以下，從而造成鋰的析出，進(jìn)而減少電池壽命，或產(chǎn)生鋰枝晶造成電池短路等問(wèn)題影響電池安全。圖6：負(fù)極析鋰現(xiàn)象及其危害《鋰離子電池負(fù)極析鋰檢測(cè)方法的研究進(jìn)展——周宇等》，容量損失：充電過(guò)程的電池極化會(huì)使得電池的外電壓更早地到達(dá)充電的截止電壓，充電倍率越高，極化越強(qiáng)，到達(dá)截止電壓的速度越快，電池的可用容量越小，造成充電倍率越大，電池的可用容量越小的問(wèn)題。圖7：不同充電倍率下人造石墨負(fù)極可用比容量《硬碳包覆人造石墨作為鋰離子電池負(fù)極材料的快充性能評(píng)價(jià)——吳敏昌等》，電池產(chǎn)熱：極化越強(qiáng)不可逆產(chǎn)熱越大，高倍率下不可逆熱為主導(dǎo)，負(fù)極是主要的產(chǎn)熱環(huán)節(jié)。電池充放電過(guò)程中的產(chǎn)熱主要分為兩部分，即可逆熱和不可逆熱。其中可逆熱與電池內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)進(jìn)程有關(guān)，吸/放熱方向與材料的熵?zé)嵯?/p>

?U相關(guān)，產(chǎn)熱率與電流成一次方關(guān)系；充電過(guò)程電池?T極化電壓與平衡電壓之間的差值稱為過(guò)電壓，過(guò)電壓與電流的乘積即為電池充電過(guò)程不可逆的能量消耗也即產(chǎn)生的不可逆熱。其產(chǎn)熱率與電流成二次方關(guān)系。因而高倍率下，會(huì)產(chǎn)生大量的不可逆熱，給大容量電芯的散熱提出挑戰(zhàn)。注：?為總產(chǎn)熱率，q

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為不可逆熱產(chǎn)熱率，q

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為可逆熱產(chǎn)熱率，I為電流

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?U為過(guò)電勢(shì)，T為反應(yīng)溫度，?為熵?zé)嵯?T數(shù)，????為等效電芯內(nèi)阻負(fù)極是快充過(guò)程主要的產(chǎn)熱環(huán)節(jié)，也即快充過(guò)程的主要瓶頸。從總產(chǎn)熱率上來(lái)看，充電過(guò)程中超過(guò)95%的熱量都在正負(fù)極上生，而其中各時(shí)點(diǎn)產(chǎn)熱又以負(fù)極為主導(dǎo)。對(duì)于可逆熱，由于正極在充電各階段的熵?zé)嵯禂?shù)都接近于零，因而負(fù)極主導(dǎo)了可逆熱的產(chǎn)生，在電池高速充電階段（20%70%SC）負(fù)極化學(xué)反應(yīng)為放熱反應(yīng)，這加劇了快充過(guò)程的產(chǎn)熱問(wèn)題；對(duì)于不可逆熱，由于嵌鋰反應(yīng)的阻力要顯著大于脫鋰反應(yīng)，因而充電過(guò)程中負(fù)極的不可逆熱也要顯著大于正極，同時(shí)這也意味著負(fù)極是快充過(guò)程的主要限制環(huán)節(jié)。因此，要想實(shí)現(xiàn)電池超快充，需要改善電池充電過(guò)程的極化問(wèn)題，關(guān)鍵在于對(duì)負(fù)極的離子遷移條件進(jìn)行優(yōu)化。圖8：A電池正負(fù)極及全池熵?zé)嵯禂?shù) 圖9：1C充電倍率下各時(shí)點(diǎn)10s-55s）總產(chǎn)熱率分布 《鋰離子電池在循環(huán)過(guò)程中的產(chǎn)熱研究——李奇》，

《磷酸鐵鋰電池充放電過(guò)程的電化學(xué)與熱特性研究——譚梅鮮》，圖10：1C充電倍率下電池逆熱分布曲線 圖11：1C充電倍率下電池可逆熱分布曲線《磷酸鐵鋰電池充放電過(guò)程的電化學(xué)與熱特性研究——譚梅鮮》，

《磷酸鐵鋰電池充放電過(guò)程的電化學(xué)與熱特性研究——譚梅鮮》，解決方案：包覆處理、材料改性、極片優(yōu)化、多面冷在電芯層面，目前兼顧能量密度與倍率性能對(duì)負(fù)極進(jìn)行優(yōu)化的方案主要有三大類，一是包覆處理，在負(fù)極石墨表面上進(jìn)行碳包覆或金屬包覆；二是材料改性，具體包括石墨的各項(xiàng)同性處理、二次造粒、表面蝕刻處理、微膨處理、摻雜改性等；三是極片尺度的設(shè)計(jì)優(yōu)化，包括對(duì)孔隙率分布的優(yōu)化以及對(duì)極片組分分布的優(yōu)化等。在CK層面，則需要更優(yōu)冷卻方案以滿足快充過(guò)程中短時(shí)、大量的散熱需求，保障電池系的安全穩(wěn)定。圖12：常見(jiàn)的負(fù)極快充改進(jìn)案中國(guó)知網(wǎng)，中國(guó)粉體網(wǎng)，匯總整理表面碳覆：負(fù)極、供活點(diǎn)、加去溶化碳包覆是目前最常見(jiàn)的負(fù)極材料包覆改性措施，具體方法是以瀝青等作為包覆原料與石墨顆?；旌辖?jīng)炭化在石墨表面形成無(wú)定型碳包覆。其主要作用有兩個(gè)方面：加快嵌鋰：石墨是層狀排布的二維結(jié)構(gòu)材料，鋰離子在石墨中的遷移具有高度的各向異性，鋰離子在垂直于石墨片層方向（基面）的擴(kuò)散系數(shù)遠(yuǎn)低于邊緣平面處（端面）。碳包覆可以在基面上提供嵌鋰活性位點(diǎn)，更快傳輸離子到達(dá)石墨端面，減弱石墨的各向異性。同時(shí)包覆層可以作為鋰離子和溶劑分子的篩分器，加速鋰離子的去溶劑化。保護(hù)負(fù)極：包覆層可以隔離電解液與石墨，避免快充過(guò)程中溶劑分子的共嵌入。從而減少不逆副反應(yīng)的發(fā)生，抑制析鋰，降低快充對(duì)石墨材料的破壞。圖13：鋰離子在無(wú)包覆/有包石墨材料中嵌入模式對(duì)比《鋰離子電池快充石墨負(fù)極研究與應(yīng)用——丁曉博》，目前包覆處理主要用于高端石墨負(fù)極，包覆材料與包覆工藝的不同均會(huì)對(duì)實(shí)際的包覆效果產(chǎn)生較大影響。對(duì)于包覆材料，所用瀝青的軟化點(diǎn)和含碳量對(duì)最終的包覆性能有很大影響，一般而言包覆材料的軟化點(diǎn)越高相應(yīng)的結(jié)焦值越高，雜質(zhì)含量少，包覆所得的倍率性能越佳。因此，包覆材料存在一定的壁壘，高溫負(fù)極包覆材料相對(duì)更加高端。在包覆工藝方面，一般包括固相混料/液相浸漬、熔融包覆/蒸發(fā)溶劑、炭化等步驟，其選取的包覆方法、添加包覆材料的比例、以及炭化溫度等都會(huì)對(duì)最終的包覆效果產(chǎn)生顯著的影響，因此包覆工藝中的knww具有重要意義，對(duì)負(fù)極廠商的工藝能力提出了較高要求。圖14：不同軟化點(diǎn)瀝青包覆然石墨的倍率性能《不同軟化點(diǎn)瀝青對(duì)天然石墨包覆性能影響——王永邦》，圖15：不同包覆比例石墨的率性能 圖16：不同炭化溫度得到的包覆石墨的倍率性能《鋰離子電池球形石墨負(fù)極材料倍率性能研究—李紅菊》，

《鋰離子電池球形石墨負(fù)極材料倍率性能研—李紅菊》，各向同處理次造粒兼顧嵌入與實(shí)密度各向異性的石墨顆粒在涂布、輥壓的過(guò)程中容易形成平行于集流體的定向排列，使得鋰離子到達(dá)端面的距離變長(zhǎng)，影響負(fù)極的倍率性能。因此，對(duì)石墨進(jìn)行各向同性處理也是提高石墨負(fù)極倍率性能的重要手段之一。目前常見(jiàn)的石墨各向同性處理方法例如天然石墨的球形化處理工藝，以及人造石墨的二次造粒工藝。通過(guò)對(duì)石墨的各向同性處理，可以增加材料表面的活性點(diǎn)位，提高表面鋰離子的嵌入速度，提高快充性能。圖17：各向異性（左）與各同性（右）電極顆粒示意JorlfTheElectocmiclScit,二次造粒是目前高端人造石墨為了兼顧能量密度與倍率性能往往會(huì)采取的重要工序。其將石墨顆粒進(jìn)行破碎后重聚成大顆粒，使得二次顆粒兼具大顆粒壓實(shí)密度高、容量大的優(yōu)點(diǎn)，以及小顆粒比表面積大鋰離子脫嵌通道多的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)提高二次顆粒的各向同性度，以兼顧能量密度和倍率性能。二次造粒的基本工藝是將石墨骨料粉碎獲得小顆粒的基材，并使用瀝青作為粘結(jié)劑，根據(jù)目標(biāo)粒徑大小，在反應(yīng)釜內(nèi)使小顆粒聚合成較大的顆粒。其工藝過(guò)程對(duì)配方、反應(yīng)溫度都有較高的要求，具有一定的技術(shù)壁壘。圖18：一次顆粒人造石墨顆粒M照片 圖19：二次顆粒人造石墨M照片 《二次顆粒人造石墨負(fù)極材料的制備及儲(chǔ)鋰性能——郭明聰》，

《二次顆粒人造石墨負(fù)極材料的制備及儲(chǔ)鋰性——郭明聰》，表面多道處微膨處：從構(gòu)入手快嵌鋰表面多通道處理是通過(guò)堿蝕（例如H）在石墨晶體的表面形成可供鋰離子通過(guò)的空隙，以解石墨基面嵌鋰點(diǎn)位少的問(wèn)題，通過(guò)這種方式可以增加嵌鋰點(diǎn)位，提高石墨的倍率性能。微膨處理則是用酸（例如2S4、N3）作為插層劑和氧化劑提高石墨晶體的層間距，以解決石墨化晶體層間距小嵌鋰速度慢的問(wèn)題。表面多通道處理與微膨處理都是對(duì)提高石墨材料倍率性能非常具有潛力的手段，實(shí)驗(yàn)表明二者對(duì)于高倍率下材料容量的提升效果可以與表面包覆處理相當(dāng)，甚至優(yōu)于后者。相對(duì)于包覆和二次造粒，這兩種處理方式是在更加微觀的尺度上對(duì)石墨晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行改性，其中試劑的選擇、作用時(shí)間等工藝條件對(duì)改性效果有重要影響，因此同樣考驗(yàn)負(fù)極廠商的工藝能力。圖20：石墨的表面處理與微處理《鋰離子電池快充石墨負(fù)極研究與應(yīng)用——丁曉博》，表4：不同處理方式石墨材料倍率容量對(duì)比處理方式倍率容量mh/g0.1C0.5C1C2C3C4C5C6C表面堿蝕人造石墨180165160110205人造石墨+碳包覆1801651601508255人造石墨+KOH堿蝕處理180177172170158130微膨處理球形天然石墨320.7212.8132.965.837.52521.7球形+固相法碳包覆371.2318.3240.4114.473.750.538.6球形+微膨處理359.9325.5235.2109.1705038《鋰離子電池球形石墨負(fù)極材料倍率性能研究——李紅菊》，《Chcteitinfritetcdithptssimhdroideaditsalictioninfst-cagalelitiumionbttis——JaeHunSimt.l》硅基負(fù)：提料克容，打量密度目前對(duì)石墨材料的元素?fù)诫s處理一般可分為三類，一是摻雜、P等可以改變石墨材料結(jié)構(gòu)的元素，提高石墨的插鋰容量；二是摻雜u、i等金屬元素提高材料的電子導(dǎo)電性；三是摻雜、n等儲(chǔ)鋰活性物質(zhì)，與石墨材料復(fù)合，發(fā)揮二者的協(xié)同效應(yīng)，目前最常見(jiàn)的就是硅基負(fù)極材料。實(shí)際上，硅材料并非天然的高倍率材料，硅基負(fù)極有助于快充的核心是可以利用硅遠(yuǎn)大于石墨的克容量提高復(fù)合材料的整體容量，為倍率性能和能量密度的平衡提供空間。目前硅基負(fù)極的技術(shù)路線主要有硅碳和硅氧兩種，硅碳復(fù)合材料是指納米硅與石墨材料混合，硅氧復(fù)合則是通過(guò)在高溫下氣象沉淀硅與二氧化硅（Si2），使硅納米顆粒（2~5nm）均勻分散在二氧化硅介質(zhì)中制得氧化亞硅（SiO），再與碳復(fù)合制成。從平衡能量密度與倍率性能的視角出發(fā)，目前硅氧負(fù)極的綜合性能較好，其既能發(fā)揮硅的高容量?jī)?yōu)勢(shì)，又能夠抑制硅的體積變化，Li+在SiO中具有更高的擴(kuò)散度，表現(xiàn)出更好的倍率性能。硅基負(fù)極產(chǎn)業(yè)化難點(diǎn)主要在于其嵌鋰過(guò)程的體積膨脹所帶來(lái)的低壽命、導(dǎo)電差、首效低、容量衰減等問(wèn)題，因此目前硅基負(fù)極的產(chǎn)業(yè)化往往需要搭配預(yù)鋰化、微觀結(jié)構(gòu)優(yōu)化等工藝，以及新型電劑、粘結(jié)劑、電解液的使用來(lái)進(jìn)行，具有很高技術(shù)壁壘，這一點(diǎn)我們已在《硅基負(fù)極：新一代鋰電材料，市場(chǎng)化進(jìn)程加速》中進(jìn)行過(guò)討論，貝特瑞、杉杉、石大勝華等工藝能力領(lǐng)先的行業(yè)龍頭企業(yè)技術(shù)儲(chǔ)備優(yōu)勢(shì)明顯，產(chǎn)品性能優(yōu)秀。圖21：硅基負(fù)極產(chǎn)業(yè)化難點(diǎn)《硅碳負(fù)極材料的制備及預(yù)鋰化技術(shù)研究——孫瑞康，圖22：硅基負(fù)極材料端優(yōu)化線《基于表面改性制備硅基鋰離子電池負(fù)極材料及其儲(chǔ)鋰性能研究——林楊帆，極片設(shè)：優(yōu)隙率與分分實(shí)現(xiàn)倍性能量密的最大化在多孔電極中，電極的性能與固相導(dǎo)電顆粒組成的電子導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，以及孔隙中的電解液構(gòu)成的液相離子傳輸網(wǎng)絡(luò)密切相關(guān)，電極的倍率性能受到孔隙率、孔徑大小與分布、曲折度及電極組分分布等電極結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響。在電極與上述參數(shù)有關(guān)的設(shè)計(jì)中，存在著離子導(dǎo)電與電子導(dǎo)電的權(quán)衡，也存在著倍率性能與能量密度的權(quán)衡。例如大孔隙率有利于電解液浸潤(rùn)極片，加快離子在孔隙中的傳導(dǎo)，但卻增大了電子在固體活性物質(zhì)中的傳導(dǎo)難度，同時(shí)大孔隙率也不利于增大極片容量，提高能量密度；再例如導(dǎo)電劑的添加有利于極片的電子導(dǎo)電能力，但卻有可能阻礙離子在孔隙的傳導(dǎo)，同時(shí)會(huì)攤薄活性物質(zhì)降低能量密度。對(duì)于充電過(guò)程的負(fù)極，其離子的傳導(dǎo)方向是從隔膜到集流體，電子傳導(dǎo)方向則是從集流體到隔膜，二者在傳導(dǎo)過(guò)程中不斷在負(fù)極活性物質(zhì)表面結(jié)合，因此，從集流體到隔膜方向上離子流密度由小變大，電子流密度由大變小。圖23：極片內(nèi)部電子與鋰離運(yùn)動(dòng)過(guò)程（左放電，右充電）鋰想生活，因此，根據(jù)離子與電子在極片中的傳導(dǎo)特性對(duì)極片中孔隙率、各組分的分布進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)是當(dāng)前兼顧倍率性能與能量密度，提高性能的重要途徑之一。從集流體到電極表面孔隙率逐漸提升的電極不但能夠保證足夠的離子擴(kuò)散速度，還能保證良好的電子傳導(dǎo)特性以及較大的能量密度，例如FC480超快充電池所采用的復(fù)合多孔電極技術(shù)，就是將原本均勻分布的孔隙率變?yōu)橛杉黧w到電極表面逐漸提高的孔隙率分布，從而同時(shí)實(shí)現(xiàn)更高的面密度和更好的動(dòng)力學(xué)性能；同理在導(dǎo)電劑總含量不變的情況下，增加下層導(dǎo)電劑含量，減少上層導(dǎo)電劑含量，也可以獲得更好的電化學(xué)性能。極片的分層制備技術(shù)對(duì)電池廠商電芯制造的前段工藝提出了很高的要求，尤其是涂布方案的選擇、干燥溫度時(shí)間等參數(shù)的確定，都會(huì)對(duì)極片和最終電芯的性能和一致性產(chǎn)生很大的影響，因而具有較高壁壘。圖24：欣旺達(dá)FC80超快電池復(fù)合多孔電極技術(shù)欣旺達(dá)，圖25：下層含量多于上層的電劑梯度分布導(dǎo)電效果更佳《鋰離子電池用多孔電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及制備技術(shù)進(jìn)展——汪晨陽(yáng)》，表5：負(fù)極快充解決方案匯總處理方式原理工藝及關(guān)鍵環(huán)節(jié)包改碳包覆加快嵌鋰：在基面上為鋰離子提供活性位點(diǎn)，高子導(dǎo)電性的涂層有利于更快輸送離子到達(dá)石墨端面，減弱石墨的各向異性；作為鋰離子和溶劑分的篩分器，加速鋰離子的去溶劑化。保護(hù)負(fù)極：隔離電解液與石墨，避免溶劑分子共入，減少不可逆副反應(yīng)的發(fā)生、抑制析鋰，從而低快充的破壞。以瀝青為原料經(jīng)炭化在石墨表面形成無(wú)定碳包覆包覆瀝青的軟化點(diǎn)和含碳量會(huì)影響包覆層能，材料具有一定的技術(shù)壁壘包覆工藝僅高端石墨負(fù)極需要，實(shí)現(xiàn)較佳包覆均勻性和產(chǎn)品穩(wěn)定性需要一定的工藝?yán)鄄牧细飨蛲蕴幚硎菍訝钆挪嫉亩S結(jié)構(gòu)材料，鋰離子在石墨的遷移具有高度的各向異性，鋰離子在垂直于石片層方向的擴(kuò)散系數(shù)遠(yuǎn)低于邊緣平面處。通過(guò)對(duì)石墨的各向同性處理，可以增加材料表面活性點(diǎn)位，提高表面鋰離子的嵌入速度，提高快性能。增加各向同性度的方法主要有球形化處理（天然石墨）、二次造粒（人造石墨）等藝二次造粒工藝難度高，對(duì)配方、反應(yīng)溫度較高要求，具有一定壁壘改性二次造粒對(duì)單顆粒負(fù)極進(jìn)行二次造粒工藝，可以使其兼具顆粒壓實(shí)密度高、容量大的優(yōu)點(diǎn)，和小顆粒比表積大鋰離子脫嵌通道多的特點(diǎn)，同時(shí)提高材料的向同性度，兼顧能量密度和倍率性能。二次造粒是將骨料粉碎獲得小顆粒基材，用瀝青等作為粘結(jié)劑，根據(jù)目標(biāo)粒徑大小在反應(yīng)釜內(nèi)進(jìn)行二次造粒造粒環(huán)節(jié)是負(fù)極的壁壘，二次造粒工藝難更高，對(duì)配方、溫度有高要求表面處理通過(guò)堿蝕（例如K）可以在石墨材料表面形成供鋰離子通過(guò)的孔隙，增加嵌鋰的點(diǎn)位，提高儲(chǔ)鋰能力試劑的選擇和操作工藝條件是改進(jìn)的核心考驗(yàn)負(fù)極廠商的工藝能力knowhow微膨處理通過(guò)插層處理（例如采用H2S4做插層劑，H3作為氧化劑）提高石墨的層間距，從而便鋰離子的嵌入和脫嵌儲(chǔ)鋰活性物質(zhì)摻雜（硅基負(fù)極）核心邏輯是利用硅遠(yuǎn)大于石墨的克容量摻雜提高料整體克容量，為倍率與能量密度的平衡提供空需要搭配預(yù)鋰化、表面改性、導(dǎo)電劑、粘劑等技術(shù)、輔材，具有高壁壘摻硅需要配合導(dǎo)電劑（例如碳納米管）、粘合劑一是彌補(bǔ)硅導(dǎo)電性差的問(wèn)題，二是束縛機(jī)構(gòu)緩解膨脹的問(wèn)題碳納米管、粘合劑等屬于需求的新型輔材對(duì)電池企業(yè)輔料摻混的均勻度、分布的控能力有較高要求極優(yōu)孔隙率優(yōu)化從集流體到電極表面孔隙率逐漸提升的電極不但能夠保證足夠的離子擴(kuò)散速度,還能保證良好的電子導(dǎo)特性對(duì)前段工藝（勻漿、涂布、輥壓、干燥等提出了較高要求組分分布優(yōu)化導(dǎo)電劑的垂直分布對(duì)電池性能有顯著影響,靠近集流體的下層導(dǎo)電劑含量高的極片性能更好中國(guó)知網(wǎng)，整理多面液：強(qiáng)熱，保快充全穩(wěn)定快充過(guò)程電芯的大量產(chǎn)熱需要通過(guò)PACK層面的冷卻系統(tǒng)進(jìn)行散熱以保障快充過(guò)程的安全穩(wěn)定常見(jiàn)的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的冷卻方式主要分為以下三類：1）風(fēng)冷：以低溫空氣為介質(zhì)，利用自然風(fēng)或風(fēng)機(jī)進(jìn)行散熱，這一形式主要應(yīng)用于早期的電動(dòng)乘用車；2）間接液冷：設(shè)置冷卻板，通過(guò)冷卻板中液體流動(dòng)帶走熱量；3）直接液冷（浸沒(méi)式）：將電池浸沒(méi)在冷卻液中進(jìn)行冷卻，需避免短路，對(duì)系統(tǒng)的絕緣性要求較高。目前間接液冷是主流的冷卻方案。在高倍率快充的過(guò)程中，電芯短時(shí)間大量產(chǎn)熱，對(duì)散熱的要求更高。目前主流的間接液冷采用單面水冷板，這一形式往往難以滿足短時(shí)間大散熱量的要求，造成電芯上下溫差大，局部溫度高等問(wèn)題。圖26：?jiǎn)蚊骈g接水冷實(shí)驗(yàn)裝及溫度分布（3C倍率）《純電動(dòng)汽車浸沒(méi)式液體冷卻電池包的模擬與實(shí)驗(yàn)研究——郭豪文》，圖27：4C倍率下電池包最溫對(duì)比 圖28：4C倍率下電池包最溫差對(duì)比溫度0

無(wú)液冷 底面液冷℃ ℃ ℃ 環(huán)境溫度℃

溫度86420

無(wú)液冷 底面液冷℃ ℃ ℃ 環(huán)境溫度℃清華大學(xué)電池安全實(shí)驗(yàn)室， 清華大學(xué)電池安全實(shí)驗(yàn)室，目前針對(duì)快充電池系統(tǒng)，廠商往往采用多面水冷的設(shè)計(jì)增加換熱面數(shù)以獲得更好的換熱效果。例如寧德時(shí)代麒麟電池的彈性?shī)A層水冷系統(tǒng)，水冷板從底部改為立式，置于電芯之間，使得換熱面積增大4倍；特斯拉則采用立式蛇形水冷板+上面水冷板的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)多面液冷。此外欣旺達(dá)FC480電池、上汽魔方電池也均采用多面水冷技術(shù)以滿足散熱需求。多面液冷的設(shè)計(jì)考驗(yàn)電池廠商的系統(tǒng)集成能力，同時(shí)也將增加對(duì)水冷板等部件的需求量。圖29：麒麟電池彈性?shī)A層多冷卻寧德時(shí)代，圖30：特斯拉蛇形管水冷板汽車電子設(shè)計(jì)，投資建議下游產(chǎn)品方面，各電池廠商積極布局超快充技術(shù)，并且已有多款車型量產(chǎn)銷售。從當(dāng)前各電池廠商發(fā)布的快充產(chǎn)品技術(shù)及配套已量產(chǎn)車型的性能來(lái)看，巨灣技研6C產(chǎn)品的裝車性能領(lǐng)先，寧德時(shí)代技術(shù)布局最為全面。從快充車型的量產(chǎn)和交付情況來(lái)看，2022年市場(chǎng)推出多款超充車型其中小鵬9交付量在9-12月迅速攀升，目前快充問(wèn)題正得到關(guān)注和解決，23年快充車型有望放量。圖31：222年9-2月小鵬9交付量單位輛)0月 月 1月 月小鵬汽車，產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)方面，快充解決方案主要對(duì)產(chǎn)業(yè)鏈提出了三個(gè)方面的需求：第一，對(duì)負(fù)極材料廠商的研發(fā)、工藝能力提出了更高的要求。包覆處理、二次造粒、表面蝕刻、微膨處理、摻雜改性等方案均有較高的工藝壁壘，考驗(yàn)負(fù)極廠商的工藝knowhow積累，建議關(guān)注具有高端負(fù)極材料工藝積累的頭部負(fù)極廠商璞泰來(lái)(603659，未評(píng)級(jí))、貝特瑞(835185買)、杉杉股份(60084，未評(píng)級(jí))。第二，對(duì)負(fù)極輔材、電池冷卻系統(tǒng)提出了新需求。例如包覆工藝對(duì)于高性能（高軟化點(diǎn)）包覆材料的需求，硅基負(fù)極對(duì)于碳納米管等新型導(dǎo)電劑、粘結(jié)劑的需求，ACK對(duì)于水冷板的增量需求。建議關(guān)注包覆材料、新型導(dǎo)電劑、液冷板領(lǐng)域的龍頭企業(yè)，信德新材(30139，未評(píng)級(jí))、天奈科技(68816，未評(píng)級(jí))、銀輪(00216，買入)（