鋰電池分為正極和負(fù)極兩個材料。我們經(jīng)常說的磷酸鐵鋰、三元材料這些其實(shí)指的是鋰電池的正極?，F(xiàn)在在全世界有成千上萬的實(shí)驗室都在試圖開發(fā)性能更好的鋰電池，其實(shí)大家無非是想在金屬氧化物中尋找一種性能更好的、容量更高、壽命更長，或者是充放電的功率更好的一些正極材料，或者是在負(fù)極上下功夫。我們通常用的比較多的鋰電池的負(fù)極材料是石墨，但是最近這些年也出現(xiàn)了一個新的負(fù)極材料，就是鈦酸鋰。
這張圖只是一個引子。那么快充的核心是什么？
在鋰離子電池放電的時候，這個鋰離子是從負(fù)極材料里跑出來，然后跑到正極去，這個過程其實(shí)相對來說比較容易實(shí)現(xiàn)，也就是說鋰電池的放電功率可以做得很大。
但是傳統(tǒng)來說，充電就不這么容易了，充電的時候鋰離子要從正極材料里跑出來，跑到負(fù)極材料里面去，這個過程相對來說比較考驗負(fù)極材料，因為鋰離子要快速進(jìn)入負(fù)極材料，那這時候?qū)ω?fù)極材料的結(jié)構(gòu)等問題都會造成破壞，所以通常來說，鋰離子電池在快速充電方面表現(xiàn)的性能是不行的。
但是快充卻是一個很多人夢寐以求的特征，以往只有超級電容才能表現(xiàn)出來快充，所以要克服鋰電池不能快充的特點(diǎn)，我們要從材料的角度去入手，想辦法去提升材料特別是負(fù)極材料在充電時的性能，這就是在材料或化學(xué)基礎(chǔ)上要做的工作。
一、電動公交車的商業(yè)困境
那為什么要特別強(qiáng)調(diào)快充這個特征，我想先從電動車的應(yīng)用端來說起。第一個在我們國家推廣這個新能源車的時候，政府最容易推動的市場是電動公交車，純公交車從奧運(yùn)會開始到世博會到現(xiàn)在大概有六七年時間了吧，在很多城市都有應(yīng)用?？匆唤M簡單的數(shù)據(jù)，這個PPT就講到了電動公交車在商業(yè)應(yīng)用中遇到的困境。
以12米的純電動大巴為例，公交車每天典型要跑250公里，它當(dāng)然是在A點(diǎn)和B點(diǎn)之間來回地跑，典型的電耗每公里0.8度電，這輛車如果白天跑一整天的話大概要消耗200千瓦時的電量，這個電量看起來不多，但是在配置電池的時候，要考慮兩個系數(shù)，第一個是電池充放電區(qū)間，電池壽命的衰減，這樣的話要配置 312個千瓦時的電量，再加上夏天開空調(diào)的耗能，這樣一來，這個電池就要裝到500千瓦時的電量才能夠滿足12米的大巴全天的運(yùn)營。
實(shí)際上在現(xiàn)在鋰電池能量密度水平上，如果裝配磷酸鐵鋰，大概500千瓦時的電池可能要6噸重， 目前的成本至少要100萬以上，這樣一個電池在12米在體積和重量上都裝不了， 所以這個方案大家都用不了。
通常的做法是裝差不多一半的電即三百千瓦時的電量，這就導(dǎo)致了這個車不能實(shí)現(xiàn)全天的運(yùn)營，通常來說在下午的時候，大巴車會回到充電站進(jìn)行一次被稱為快速補(bǔ)電的工作，這個時間通常會消耗一個小時到一個半小時，補(bǔ)充一部分電量，然后再完成下半段的運(yùn)營。然而這個結(jié)果對公交公司而言降低了它的運(yùn)營效果，因為在白天的時候有兩個小時不能運(yùn)行。
那么緊接著一個問題就是，我們有沒有可能采用能量密度更高的電池來完成這項工作？目前已經(jīng)商業(yè)化的電池中間能量密度最高的是特斯拉用的松下18650的電芯，其電芯的能量密度達(dá)到了230瓦時每公斤，如果真的要裝五百度電的話，重量大概是3.5噸，它能夠滿足全天的運(yùn)營，而且大巴車上也基本上能裝下，但是這個電池使用在公交大巴上面的一個問題就是它的壽命，它重組之后的循環(huán)壽命可能只有五百次，所以我們預(yù)計它在公交上這樣使用的話每天充一次電大概只能用兩到三年。
所以我們看到在公交大巴上面使用能量型的電池試圖來解決全天運(yùn)營的需求，實(shí)際面臨著很多工程上以及成本上的問題，要么太重，要么太貴，要么壽命不夠好。
但我們還有另外一個思路，如果能反過來考慮這個問題，我們不裝那么多的電池，而是把電池裝得更少，但是使用快速充電的方法。假如我們不需要跑250公里，只需要跑一圈，比如一輛公交車從A點(diǎn)到B點(diǎn)是二十公里，那我只需要裝跑二十公里的電池，然后每次到終點(diǎn)的時候都能夠在五分鐘或者十分鐘之內(nèi)把電充滿，然后跑下一趟，那么這個方案是否也是可行的呢？我們簡單測算一下，如果我們用80千瓦時的電池或者用120千瓦時的電池，那么每天快充四次或者五次、六次，每次充電時間也控制得足夠短，利用司機(jī)到總站休息的時間。也就是說如果我們通過少裝電池的方式，多次充電的方式也能滿足公交的運(yùn)營，但是它對電池提出了一個挑戰(zhàn)，就是說電池要能夠快速充電，那十分鐘左右就要把電充滿。另外，因為每天的充電次數(shù)會變多，比如說每天從一次變成了三四次甚至五次，那么在快充條件下，要求電池的循環(huán)壽命也會比原來更長。
二、電動出租車的運(yùn)營難題
上面是我們對于公交運(yùn)營所設(shè)想的一種方式，就是通過每一趟或者兩趟快速充電來解決全天運(yùn)營里程的問題。
接下來我們將講到出租車，PPT中說明了電動出租車的需求，出租車的運(yùn)營負(fù)荷要比公交車還要高。兩個司機(jī)24小時運(yùn)營，那么全天的運(yùn)營里程典型的是 500多公里，在壽命期內(nèi)通常是六年，它需要運(yùn)行大概一百萬公里，這是我們講到出租車的特點(diǎn)。這個特點(diǎn)其實(shí)對于電池提出了更高的挑戰(zhàn)。相比一下電動私家車的需求，電動私家車通常我們只是上下班時間開，每天可能開50公里，偶爾在周末的時候有可能有一次長距離的旅行比如說三百公里，那通常來說，我們在十年的時間里頭可能這輛車能跑20萬公里，所以我們看到私家車和出租車，這兩種車輛的運(yùn)營特點(diǎn)的差別非常大，進(jìn)一步說，這兩種車輛對于電池的需求也是完全不同的。
在我們國家863科技計劃中間包括現(xiàn)行的補(bǔ)貼政策中，它的總的傾向性是鼓勵大家把電池的能量密度做高，把車輛的行駛里程做長，這樣做的終極目的是為了最終能夠啟動私家車市場，通過電池能量密度的提高，來降低電池的成本，這個方向我認(rèn)為非常正確。
但是實(shí)際上，大家都能看到，私家車這個市場大面積的啟動可能還需要若干年的時間，在這個之前，作為從業(yè)的公司，要想在新能源汽車領(lǐng)域分一杯羹的話，我們要看一看眼下，以及未來三年我們能夠在哪個市場上能夠有生意。
目前其實(shí)國內(nèi)在電動出租車方面賣得最好的是比亞迪E6，它的典型配置是65千瓦時的電池，大概充滿電之后的實(shí)際運(yùn)營里程可以達(dá)到兩百公里左右，每天兩班司機(jī)，大概能夠運(yùn)營四百公里。它唯一的缺點(diǎn)是什么呢？就是白天的時候每一班司機(jī)大概要花2個小時充兩次電，夜班司機(jī)大概也要花這么長時間，所以24小時里面，自己大概要花四到五個小時來充電，特別是白天的充電時間，比較多地影響了司機(jī)的運(yùn)營，這是司機(jī)目前不太滿意的地方。
其它的電動出租車方案，因為裝的電量少，然后又不能快速充電，所以它們的運(yùn)營其實(shí)是很成問題的，可以說它的運(yùn)營效率跟真正的燃油出租車完全是兩個概念，所以也談不上經(jīng)濟(jì)性。
那么我們設(shè)想一種可以快速充電的方案，比如這個車上可以配載四十到五十千瓦時的電池，充滿電需要十五分鐘，我們設(shè)想兩班司機(jī)那么每班司機(jī)各充兩次，全天總共4次充電，累計的時間控制在一個小時之內(nèi)，這樣的話，這個車作為出租車運(yùn)營距離燃油車的使用已經(jīng)是非常接近的了。另外，就是我們來看如果要滿足六年九十萬公里或者一百萬公里的需求，那么電池需要全充放的次數(shù)大概在4300或者5000次左右。
三、快充電池特性
從現(xiàn)在新能源汽車政府推廣的力度來看，公交車的力度是最大的，緊隨其后，政府的手能夠伸到地方就是出租車。所以我們總結(jié)一下運(yùn)營車輛的特征，不管是出租車還是公交車，第一個它是一個生產(chǎn)工具，它有別于我們個人消費(fèi)者的車輛，每天的運(yùn)行要十五小時甚至到二十四小時，車輛每天的運(yùn)營里程很長，公交要二百五十公里，出租車要五百公里以上，第三個是車輛的壽命，或者說對電池的壽命要求都希望達(dá)到六十萬甚至一百萬公里，所以簡單來說，針對這樣的需求，快速充電和長壽命是這個電池最基本的一個特征。
那么針對這兩種需求，有沒有電池能夠滿足這種商業(yè)上的要求？我們剛才談到了十分鐘或者十五分鐘充電，那么它的壽命希望達(dá)到五千次，甚至是一萬多次。從 2007年開始微宏一直在這方面在做努力，在過去的幾年中，我們先后開發(fā)了兩代的產(chǎn)品，第一代是鈦酸鋰，這個電池在25℃下6C充放循環(huán)下，循環(huán)兩萬五千次容量可剩余78%，第二張圖是第二代我們稱為多元復(fù)合鋰電池，這個電池有一萬次的循環(huán)壽命。
四、電動公交與電動出租的快充方案
這兩個電池他們的出現(xiàn)就是針對前面提到的兩個市場，一個是公交，另一個是出租車，2011年3月，最早的第一批的六輛裝鈦酸鋰的公交大巴在重慶上線了，它的充電用了兩把槍，充電電流達(dá)到了500安培，標(biāo)準(zhǔn)電壓560伏，充電機(jī)的功率大概400千瓦。這批車到現(xiàn)在運(yùn)行了4年，每天充電5次左右，每充一次電線路的里程大概是30多公里，這個項目非常好的詮釋了鈦酸鋰電池在快速充電的條件下它的長壽命和穩(wěn)定性。
三年之后，重慶這個模式走出國門，得以進(jìn)入到了德國Munster，VDL采購了一批純電動快充的大巴電池，這也是我們引以為豪的事情。
同樣是在去年，倫敦這個紅色雙層巴士，1000臺的訂單下給了微宏動力，這個系統(tǒng)是一個增程式的串聯(lián)系統(tǒng)，配了18個千瓦時的鈦酸鋰。目前已經(jīng)有400多臺上線運(yùn)行了，在今年年底之前會把剩余的500多臺投入運(yùn)行。
從去年下半年開始，國內(nèi)的公交市場非?；鸨?，從去年開始我們陸陸續(xù)續(xù)在國內(nèi)很多城市都投入了快充的電動公交車，特別是在北京，北京公交去年總計采購了390臺配備快充電池的大巴及中巴，全部都采用了快速充電的模式，所以快充在公交行業(yè)獲得了相當(dāng)廣泛的認(rèn)可。
在公交之后，談到出租的應(yīng)用目前其實(shí)還沒有開始。我們所設(shè)想的方式是純電動的出租車能夠在10~15分鐘之內(nèi)充滿電，且每次充滿電續(xù)航里程能夠達(dá)到250公里。電池能夠使用60萬公里，盡量做到與公交等壽命，這是我們所設(shè)想的電動出租車的一個商業(yè)模式。
五、快充需解決的技術(shù)問題
在快充體系之間，電池溫度是影響它壽命最大的殺手，50℃下容量衰減幾乎加快一倍，所以溫度控制是非常重要的。
在成本可以接受的情況下，我們會建議采用液冷的方式，我們把電池直接浸沒在高絕緣性的阻燃液體中，然后把這個液體循環(huán)出去，循環(huán)出去之后跟空調(diào)的氟利昂直接換熱，換完熱之后再回到電池中。這個是倫敦雙層巴士運(yùn)行了這樣一個系統(tǒng)，運(yùn)行得非常好，我們希望在乘用車上也能夠采用這樣的系統(tǒng)來解決快充的時候電池的熱管理問題。
對于電池安全，客觀上來講，鋰電池的絕對安全是不存在的，它是易燃的、本身帶有能量的物體，所以我們能夠做到的是在材料體系上，電芯的單體制造和成組技術(shù)上進(jìn)行充分的設(shè)計來確保當(dāng)有意外發(fā)生的時候整個系統(tǒng)不會出現(xiàn)燃燒、爆炸。
微宏在大巴車上開發(fā)了一套比較獨(dú)特的系統(tǒng)，就是把電池直接浸沒在高絕緣性的阻燃液體中，那把電池浸在油里的好處是什么呢？油隔絕了空氣，當(dāng)出現(xiàn)意外的時候，熱失控高溫的點(diǎn)和可燃物泄露出來的時候，它不會第一時間接觸到空氣，可以很有效地避免起火或者爆炸的發(fā)生。
我們做了一個具有象征意義的測試，在空氣中尖穿刺一個鋁殼電池或者在油中間穿刺一個電池，測試發(fā)現(xiàn)，在空氣中穿刺的時候，我們觀察到電池表面的溫度是六百多度的高溫，并且很容易起火，而在油中針刺的時候我們能觀察到的溫度大概只有一百多度。所以隔絕空氣能夠很有效地緩解電池在出現(xiàn)失控的時候的危險。
六、快充電池的其他工業(yè)應(yīng)用
最后一張PPT是講快充在其他工業(yè)上的應(yīng)用，除了講到的兩個目標(biāo)市場：公交車和出租車之外，在所有24小時運(yùn)營的移動工具上，包括碼頭拖車、叉車、 RTG，無一例外對快充都有著需求。另外，在高功率使用的啟停電池上也可以發(fā)揮它長壽命和大功率的特性。第三個是在增程式或者插電式車輛上，在高功率使用的情況下這種電池也會有很好的運(yùn)用。
