談及電動汽車，大家最關心的問題是續航。

當前普遍續航400km左右，從大部分出行場景上來說，這個數值真的差不多夠了。但是，為什麼大部分人(包括我在內)，總覺得這個里程遠遠不夠，希望再加個三五百公里才安心呢？

原因在於充電便利性遠遠不如加油。

如果燃油車沒油了，開啟手機導個航，開個三五公里、花個三五分鐘總能加上油。充電就不一樣了，首先不一定能找到充電站，其次即使找到充電站不一定能排上隊，最後即使排上隊了，至少也得充個把小時。

制約充電便利性的，主要是充電速度太慢。它有兩個制約效應：

充電速度慢，意味著要耽誤電動汽車車主的寶貴時間，這要計入直接成本。充電速度慢，意味著租個地盤開充電站的服務效率低，投入產出劃不出，間接制約了充電站的普及程度。車用鋰電池快充技術的兩個角度

我們經常將鋰電池比喻成“水箱模型”[1]：相比較於大部分電池採用的是轉化(Conversion)的化學反應，伴隨著顯著的物質轉化過程，而鋰離子電池採用的是非常獨特的鋰嵌入(Intercalation) 化學反應[2]，鋰離子確實很像倒水一樣在正極與負極之間倒來倒去。

既然把鋰離子電池比喻成水箱模型，那水和油又有什麼區別？為何往燃油車裡倒油這麼快，往電動車裡“倒電”就這麼慢呢？

這就是所謂的鋰電池快充技術問題，要從兩個角度來理解：

充電裝置的角度：充電樁與車載高壓系統，是否具備高功率輸出的能力？從鋰電池的角度：在保證安全與壽命的前提下，鋰離子電池是否具備承受高功率輸入的能力？

近期，保時捷釋出了豪華電動汽車Taycan，最引人注目的就是車載800V高壓系統、可支援350kW的超快充電功率[3]。350kW什麼概念？相當於半個小區的空調都停下來，省下來的電同時充入一輛小小的電動汽車。

(保時捷Taycan)

保時捷此舉主要是從充電裝置的角度來突破技術，這也是汽車主機廠和零部件廠著眼的領域。實際上，研究起來更難、可能也更重要的是另外一個角度：鋰離子電池是否具備承受高功率輸入的能力？

分享的第二篇論文就是討論這一話題：<Lithium-ion battery fast charging: A review>[4]，翻譯成中文就是：“鋰離子電池快充問題的綜述”。

綜述(Review)是個好東西： 要研究一個領域，原本要花費大量時間去搜索、閱讀、整理上百篇論文，而現在只需要看一篇高水平的綜述就行了！

快充帶來了什麼風險？

簡而言之，快充帶來三個效應：熱效應(Thermal effect)、析鋰(Li plating)與機械效應(Mechinal effect)

熱效應很好理解，根據焦耳定律，發熱量是電流的平方關係：

J = I^2 R

再考慮到P=UI，從充電裝置的角度來講，在提高充電功率的情況下不提高電流，只能提高電壓，這就是為什麼車載800V高壓系統對超快充如此重要。

車載高壓系統的電壓提上去了，只是降低了充電線纜中的發熱量。而鋰離子電池單體電芯的電壓是不可能大幅提高的，它們必須忍受大電流帶來的發熱量兩方面問題：

發熱總量：電芯本身的散熱效能和電池包整體的散熱效能都需要加強。不均勻性：汽車熱管理做得好，不同電芯之間的溫差可以做到±2°C的水平 ，較差也能做到±5°C的水平[5]。但是，這只是電芯表面的溫度，快充時內部發生了什麼呢？

下面兩圖顯示，在快充時電芯內部的最大溫差高達10°C以上，正極溫度最高。

如果給定了電芯，主機廠僅在熱管理層面做再多工作，都很難從根本上改善快充時帶來的電芯內部溫度不一致性。為改善這一效能，電芯廠需要專門改進電極材料、電芯設計，論文中均有綜述介紹。

熱效應的危害是什麼呢？兩個方面：壽命(Aging)與安全(Safety)

關於壽命(Aging)，溫度高了會怎麼樣？我們可以參考趙忠詳老師的一句臺詞“春天來了,萬物復甦,大草原又到了動物們…………的季節”。鋰離子電池壽命衰減的副反應(Side-reaction)和大草原的動物差不多，與溫度是強相關。

具體是哪些副反應如此躁動呢？被提及最多的是負極SEI膜(Solid electrolyte interphase)生長，其它的可參照上一篇的論文導讀[1]中的經典圖。

關於安全(Safety)。今年上半年的特斯拉、蔚來自燃事件，我聽過吃瓜群眾一種直觀樸素的理解方式，天氣本來就熱、充電更熱，當電池溫度逐漸上升到一個臨界點之後，就像野草堆一樣自己燃燒起來了。這種理解正確嗎？

這種理解有正確的一面：電池熱失控(Thermal Runaway)的鏈式反應確實存在溫度臨界點。

如下圖所示，熱失控的蔓延被劃分成了3個階段，縱座標是對數座標的產熱速率：在任何一個階段，只要散熱速率高於產熱速率，熱失控就不會繼續蔓延。同時我們可以看到，第II階段的產熱速率顯著上升（注意，這是對數座標），這個階段溫度起點T2，對應的就是是吃瓜群眾口中的“臨界溫度”。

那麼問題來了，T2有一百多度呢，並不是很容易達到。咱們給它通入電流，是效率高達95%以上的充電行為(產熱比例很小)，並不是在加熱電阻絲。電池包畢竟是半噸重的大傢伙，就算白送給你，加熱到100多度也很有難度啊！

所以說，僅憑熱效應根本達不到臨時溫度T2，電池包並不像野草堆那麼危險。那到底是什麼力量，讓臨界溫度T2出人意料地降臨？

鋰離子電池是基於鋰嵌入(Intercalation) 反應設計，但是當負極電流過大或溫度過低時，負極電位低於Li/Li+參考電極的電位時，就會發生鋰金屬電池才有的鋰轉化(Conversion) 反應，產生金屬鋰，這也就是所謂的析鋰(Li plating)。

鋰轉化(Conversion) 反應非常可怕，它帶來的安全事故曾讓前途無量的世界第一家鋰電池企業Moli Energy破產倒閉[2]。

析鋰反應持續發生後，會生長成像樹枝一樣的結構，大家稱為為鋰枝晶。讓我們看看它的樣子[6]：

早期樸素的理解是：鋰枝晶不斷生產，最終刺穿了正負極之間的隔膜導致內短路(Internal Short Curcuit)[7]. 這種理解直觀上說得通，鋰枝晶那畢竟是金屬啊，刺穿個非金屬的薄膜還不是輕而易舉？

近年來有另外一種解釋，漸漸佔據上風： 鋰金屬特別軟，生產出來的鋰枝晶又不是鑄造、鍛造出來的，更是軟趴趴地站都站不起來的微觀形態，怎麼可能刺穿隔膜呢[8]？

因此，並不是鋰枝晶刺穿隔膜導致的內短路熱失控，而是鋰枝晶的樹狀結構因為某些機理使得臨界溫度T2大為降低，從而使熱失控更容易發生！

也就是說，快充時的熱效應提高了電池溫度、析鋰效應降低了臨界溫度，兩種效應裡應外合，共同導致了熱失控的發生。

除對安全性的影響外，快充析鋰過程中鋰離子數量減少，當然也導致了容量的衰減，對電池壽命也造成了影響。此論文還指出，析鋰過程似乎是部分過逆的，快充之後只要讓電池趕緊休息一下，鋰金屬會重新變成鋰離子(未能恢復的那部分被稱為死鋰Dead Lithium)、臨界溫度T2也會恢復正常的較高值。

最後還有一種機械效應，限於篇幅不再詳述，有興趣的同學可以看論文原文或另外一篇解讀[9]。

控制析鋰的技術難題—— 無損診斷

前文討論了，快充導致的電池壽命衰減與安全性問題，析鋰效應扮演著極為關鍵的角色。

首先要做的是，合理設計電芯與電池包、透徹理解電池模型、準確估計電池當前狀態、控制快充過程，在快充過程中儘量避免析鋰現象發生。遺憾的是，對於汽車這種動轍幾十萬輛的量產產品來說，特別是對我們鋰電池的理解還不透徹的情況下，全面做到這一點還非常非常地難。

別慌，從析鋰到鋰枝晶再到鋰失控，並不是一個瞬發過程，而是逐漸蔓延的過程。如果我們能夠在早期就探測(Detection)到析鋰效應，提前採取防治措施或警示車主趕緊去修，就可以避免發展為熱失控而帶來人身與財產損失。

論文中提到，鋰枝晶的探測方法包括：光學顯微鏡技術(optical microscoppy)、掃描電鏡技術(SEM, Scanning Electron Microscopy)、透射電鏡技術(TEM, Transmission Electron Microscopy)、核磁共振波譜技術（NMR spectroscopy，Nuclear Magnetic Resonance spectroscopy）、X射線衍射技術(XRD, X-ray diffracation)等。

遺憾的是，這些方法都不是無損診斷(Non-destructive disgnosis)，而是需要將電池拆開後觀察。對於嚴密封裝在電池包中的電芯來說，這顯然是不切實際的；即便用這些方法來抽檢，由於電芯之間存在顯著的不一致性，抽檢的少量電芯也無法說明整個電池包的安全狀態。

那有沒有無損診斷方法呢？ 此論文全面總結了相關研究，大概有6大類方法如下圖所示：1) 阿倫尼烏斯曲線（Arrhenius plot）2) 內阻-容量曲線(Resistance-Capacity) 3) 非線性頻響分析(NFRA, Nonlinear Frequency Response Analysis) 4) 庫侖效率分析(Coulombic efficiency) 5）差分電壓分析(DVA, Differential Voltage Analysis) 6) 容量增量分析(ICA, Incremental Capacity Analysis)。

既然有這麼無損診斷的方法，八仙過海各顯神通，總有一個可以起效果的吧？遺憾的是，事實並非如此！

雖然上述分析方法五花八門，但本質上全面都是同樣的電流、電壓的外部測量訊號在時間維度的數學變換：變換個座標軸、求個微分、算個積分等等。

打個比方，出土一個五千年的古墓，找到一塊骨頭(電壓、電流訊號)，出個題讓你畫出骨頭主人DNA(鋰枝晶狀態)。不能說這不可能，但至少是非常困難的；特別是，如果你還不知道、DNA的雙螺旋結構模型(鋰離子電池析晶機理)的狀態下，更加困難。

還有一種更糟的情況，題目變為：給你一塊骨頭，讓你推斷骨頭主人的姓名。由於骨頭中根本不包括此資訊，你就算想破了腦袋也推斷不出來啊！此路不通，還不如換個方法，去找找古藉史料呢！

對啊，如果從外部的電壓、電流訊號實在推斷不出來，咱們能夠另闢蹊徑，找到其它無損探測鋰枝晶的方法嗎？

正巧，在剛剛結束的第三屆國際電池安全研討會(IBSW, International Battery Safety Workshop)上，全球鋰離子大佬齊聚一堂，就有相關報告介紹了一種很有希望成功的方法：在電池負極設計一個結構巧妙的感測器，專門探測析鋰現象。若此方法能夠成功走出實驗室，得以產業化，就可以從根本上解決析鋰帶來的壽命衰減與安全問題。

講了那麼多，吃瓜群眾可能會說：這些我們都不關心，我們只想知道啥時候能以北汽新能源的價格享受保時捷Taycan一樣的超級快充技術呢？

針對這個問題，下面一個技術路線圖可供參[6]：

論文下載

這篇論文長達28頁，作者就有20多個，密密麻麻的英文看得我都快抑鬱了。上文介紹的，是論文中一些比較容易懂的點，更多精彩內容還是要看原文，或者看“能源學人”的中文翻譯[10]。

本論文源自Elsevier期刊國際交通電動化雜誌(eTransportation)第一期，一年內可以免費下載：https://www.sciencedirect.com/journal/etransportation/vol/1/suppl/C

參考

[1] 從全生命週期看鋰電池壽命衰減 | 論文導讀01 https://zhuanlan.zhihu.com/p/83328983

[2] 有哪些「劃時代」的存在，「突破」了你現有的認知？

https://www.zhihu.com/question/344181911/answer/816371551

[3] 如何評價保時捷 Taycan ？

https://www.zhihu.com/question/280402448/answer/814303195

[4] Anna Tomaszewska, Zhengyu Chu, Xuning Feng, et al. Lithium-ion battery fast charging: A review [J]. Journal of eTransportation, 2019 Volume 1

[5] 漫談汽車熱管理

https://zhuanlan.zhihu.com/p/70101842

[6] 褚政宇. 基於降維電化學模型的鋰離子動力電池無析鋰快充控制. 清華大學博士學位論文.

[7] 如何看待 4 月 21 日上海地下車庫特斯拉 Model S 自燃一事及電動車安全性問題？https://www.zhihu.com/question/321156142/answer/659113692

[8] López C M, Vaughey J T, Dees D W. Insights into the role of interphasial morphology on the electrochemical performance of lithium electrodes[J]. Journal of The Electrochemical Society, 2012, 159(6): A873-A886.

[9] 歐陽明高：從材料到系統鋰離子電池快充技術全面總結

https://mp.weixin.qq.com/s/ZLuDJR99KTlG6qpyVBshJQ

[10] 關於快充，必須關注的要點有哪些？

https://mp.weixin.qq.com/s/hsTJuJ8RScl9A81T3jKPig