如何化解电动汽车的里程焦虑问题

在电动汽车越来越普及的今天，生活中经常会见到各种品牌各种档次的电动汽车，随着产品线的不断延展，EV市场不断细分，比如最近频频发布的纯电动SUV，包括云度π1，Tesla model X，BYD宋等车型。绝大多数消费者日常行驶距离不足80km，但却希望续航里程能达到500km以上，为何纯电动还是叫好不叫座呢，究其根本原因还是因为纯电动汽车技术的进步还未能达到预期，最重要的就是续航里程无法满足用户需求，充电速度赶不上加油速度。

图1 主流车型最大续航里程统计

这里就要提到一个概念“里程焦虑”，就是指驾驶电动汽车时因担心突然没电引起的精神痛苦或忧虑。那么如何化解里程焦虑呢?今天就从电池的角度去解读下。

化解里程焦虑最直接的就是提高电动汽车的续航里程，核心就是提高电池组和单体电池的能量密度，另外就是做快充电池例如东芝最近推出的超级快充钛铌电池。

接下来详细谈一谈如何从电池的角度解决里程焦虑，

我们可以看下若特斯拉model S或者model X 18650电池替换为最新的21700电池，续航里程的增加情况：电池容量增幅估计为30%，由于21700的体积比18650增加46%，考虑电池体积增加与容量的非线性关系并作保守估计取为30%的电池容量增幅。

图2 18650换装21700续航预测

目前主流动力电池企业能量密度都已突破180wh/kg,以云度π1搭载的比克18650圆柱电池为例，其能量密度已经接近250wh/kg。下图是比克在圆柱电池体系的开发路线图。

图3 比克圆柱电池开发路线图

由上面路线图可以看出，其实想要提高能量密度还是要从电池材料上下功夫。下面分几个重要的方向详细聊聊电池能量密度的提升。

正极

从正极的角度考虑，目前使用克容量更高的高Ni三元材料NCM622,811或者更高容量大NCA材料是电池企业的必经之路。

另外一点，开发高电压正极三元材料对于提升能量密度也会有显著的效果，下图列举了不同比例的NCM三元材料在20Ah软包电池中不同上限电压下所能达到的能量密度。

图4 NCM材料不同电压和负极下的能量密度对比

目前高电压体系还是有一些问题没有解决，比如对循环寿命的影响。以下是高Ni体系600次常温循环后不同上限电压的容量保持率对比。高温循环衰减更为严重。

图5 高Ni体系NCM不同电压循环保持率对比

最后我认为非常重要的就是在正极体系设计中应尽量减少非活性物质的使用量比如binder，导电炭等。这就要求辅助材料等性能需要进一步提升才能减少用量，比如超高粘结力的PVDF和SWCNT等材料的应用。借此，三元体系loading可以做到接近99%等水平。

负极

传统的石墨类负极材料已经不能满足能量密度增长的需求，从负极的角度考虑提升能量密度产业界也已经达成一致，那就是采用硅负极体系。

图6 硅复合负极与常规石墨对比

图7 日立化成硅复合材料数据对比

硅材料的比容量4000mAh/g固然高的超乎想象，但纯硅还是无法产业化，主要原因是：体积膨胀达300%以上，材料粉化脱膜循环衰减非常严重;导电性差，不可逆容量大，首次效率很低。

所以需要很好的解决以上两点问题才能大规模使用硅负极材料，最好的办法就是硅与碳形成的复合材料，因为碳材料具有较高的电子电导与离子电导，可改善硅基材料的倍率性能，抑制硅在循环过程中的体积变化;同时，碳也能贡献一定容量。目前最适合作为硅碳复合材料基质的碳主要有石墨、中间相碳微球、石墨烯和碳纳米管等。

适合商业化的目前分为两类硅碳复合材料SiO和SiC,为了兼顾成本和性能，需要与商业化负极石墨材料混用。目前商业化的Si负极材料大多用于圆柱型电池体系，因为篷帐还是无法与普通石墨达到相同水平，有圆柱钢壳束缚极片结构，电芯的循环寿命可以得到很好的发挥。负极容量400以上的18650-3300mAh循环性能可以做到1000次左右了。

图8 高容量18650常温循环数据

另外，与正极材料一样，提高活性材料的loading，降低导电剂，粘结剂的使用量也是非常重要的方面。

隔膜

隔膜在锂电池中扮演着正负极绝缘体、离子导电体、离子自由传导的角色，可以提升锂电池的安全。随着正负极能量密度的不断提高，隔膜性能也必须增强。从隔膜的角度去提升电池能量密度，可能作用不是很大，各个隔膜公司都相继推出了适用于高能量密度电池体系的20um以下的高安全性涂覆隔膜。从理想化的角度说，更薄但强度又更好的隔膜是提升并保证高能量密度的关键，从隔膜孔隙结构来说，较小的孔径和更均匀的孔径分布有助于更长的循环寿命。

快充技术

快充技术对于解决里程焦虑可以说是立竿见影的，以下是快充和慢充的区别。

图9 快充和慢充

由于电动汽车电池需要更大的充电功率，因此一般充电情况下要先将家庭220V交流电转换为500V直流电，整个充电时长一般6~8小时。电动汽车快充是直接以大功率直流电来对电池进行充电，在30分钟左右可以充 电至80%。为保护电池安全，超过80%后充电电流必须变小，充到100%需要较长时间。因此，由于需要特定的快速充电设备，电动汽车生产厂商通常拥有自己的快速充电桩或快速充电站以满足消费者的需求。

超级充电站是特斯拉主推的充电方式，其充电速度是三种方式中最快的，充电电压为380V，充电电流最大可接近200A，充电1小时足够行驶约350公里，整个充 电过程最快能在一小时左右时间内完成。

开发新型先进电池

下一代更高能量密度>300Wh/kg的电池也都在开发中，如固态电池，锂硫电池等。

图10 高比能量电池技术

结语

随着电池电机电控技术的发展我相信纯电动汽车会越来越普及，里程焦虑的问题肯定会得到妥善的解决。当然这离不开产业链如电池原材料，电池设计，结构设计，充电设施等各个环节共同努力。剩下的只是一个时间问题。