如何解决快充瓶颈问题？

包覆处理、材料改性、极片优化、多面液 冷。

在电芯层面，目前兼顾能量密度与倍率性能对负极进行优化的方案主要有三大类，一是包覆处理， 在负极石墨表面上进行碳包覆或金属包覆；二是材料改性，具体包括石墨的各项同性处理、二次 造粒、表面蚀刻处理、微膨处理、掺杂改性等；三是极片尺度的设计优化，包括对孔隙率分布的 优化以及对极片组分分布的优化等。 在 PACK 层面，则需要更优的冷却方案以满足快充过程中短时、大量的散热需求，保障电池系统 的安全稳定。

表面碳包覆：保护负极、提供活性位点、加快去溶剂化。碳包覆是目前最常见的负极材料包覆改性措施，具体方法是以沥青等作为包覆原料与石墨颗粒混 合经炭化在石墨表面形成无定型碳包覆。其主要作用有两个方面： 1. 加快嵌锂：石墨是层状排布的二维结构材料，锂离子在石墨中的迁移具有高度的各向异性，锂 离子在垂直于石墨片层方向（基面）的扩散系数远低于边缘平面处（端面）。碳包覆可以在基面 上提供嵌锂活性位点，更快传输离子到达石墨端面，减弱石墨的各向异性。同时包覆层可以作为 锂离子和溶剂分子的筛分器，加速锂离子的去溶剂化。 2. 保护负极：包覆层可以隔离电解液与石墨，避免快充过程中溶剂分子的共嵌入。从而减少不可 逆副反应的发生，抑制析锂，降低快充对石墨材料的破坏。

目前包覆处理主要用于高端石墨负极，包覆材料与包覆工艺的不同均会对实际的包覆效果产生较 大影响。对于包覆材料，所用沥青的软化点和含碳量对最终的包覆性能有很大影响，一般而言包 覆材料的软化点越高相应的结焦值越高，杂质含量少，包覆所得的倍率性能越佳。因此，包覆材 料存在一定的壁垒，高温负极包覆材料相对更加高端。 在包覆工艺方面，一般包括固相混料/液相浸渍、熔融包覆/蒸发溶剂、炭化等步骤，其选取的包 覆方法、添加包覆材料的比例、以及炭化温度等都会对最终的包覆效果产生显著的影响，因此包 覆工艺中的 know how 具有重要意义，对负极厂商的工艺能力提出了较高要求。

各向同性处理与二次造粒：兼顾离子嵌入与压实密度。各向异性的石墨颗粒在涂布、辊压的过程中容易形成平行于集流体的定向排列，使得锂离子到达 端面的距离变长，影响负极的倍率性能。因此，对石墨进行各向同性处理也是提高石墨负极倍率 性能的重要手段之一。

目前常见的石墨各向同性处理方法例如天然石墨的球形化处理工艺，以及人造石墨的二次造粒工 艺。通过对石墨的各向同性处理，可以增加材料表面的活性点位，提高表面锂离子的嵌入速度， 提高快充性能。

二次造粒是目前高端人造石墨为了兼顾能量密度与倍率性能往往会采取的重要工序。其将石墨颗 粒进行破碎后重聚成大颗粒，使得二次颗粒兼具大颗粒压实密度高、容量大的优点，以及小颗粒 比表面积大锂离子脱嵌通道多的优点，同时提高二次颗粒的各向同性度，以兼顾能量密度和倍率 性能。 二次造粒的基本工艺是将石墨骨料粉碎获得小颗粒的基材，并使用沥青作为粘结剂，根据目标粒 径大小，在反应釜内使小颗粒聚合成较大的颗粒。其工艺过程对配方、反应温度都有较高的要求， 具有一定的技术壁垒。

表面多通道处理、微膨处理：从微结构入手加快嵌锂。表面多通道处理是通过碱蚀（例如 KOH）在石墨晶体的表面形成可供锂离子通过的空隙，以解决 石墨基面嵌锂点位少的问题，通过这种方式可以增加嵌锂点位，提高石墨的倍率性能。微膨处理 则是用酸（例如 H2SO4、HNO3）作为插层剂和氧化剂提高石墨晶体的层间距，以解决石墨化晶 体层间距小嵌锂速度慢的问题。表面多通道处理与微膨处理都是对提高石墨材料倍率性能非常具 有潜力的手段，实验表明二者对于高倍率下材料容量的提升效果可以与表面包覆处理相当，甚至 优于后者。 相对于包覆和二次造粒，这两种处理方式是在更加微观的尺度上对石墨晶体结构进行改性，其中 试剂的选择、作用时间等工艺条件对改性效果有重要影响，因此同样考验负极厂商的工艺能力。

硅基负极：提高材料克容量，打开能量密度上限。目前对石墨材料的元素掺杂处理一般可分为三类，一是掺杂 B、P 等可以改变石墨材料结构的元 素，提高石墨的插锂容量；二是掺杂 Cu、Ni 等金属元素提高材料的电子导电性；三是掺杂 Si、 Sn 等储锂活性物质，与石墨材料复合，发挥二者的协同效应，目前最常见的就是硅基负极材料。 实际上，硅材料并非天然的高倍率材料，硅基负极有助于快充的核心是可以利用硅远大于石墨的 克容量提高复合材料的整体容量，为倍率性能和能量密度的平衡提供空间。

目前硅基负极的技术路线主要有硅碳和硅氧两种，硅碳复合材料是指纳米硅与石墨材料混合，硅 氧复合则是通过在高温下气象沉淀硅与二氧化硅（SiO2），使硅纳米颗粒（2~5nm）均匀分散在 二氧化硅介质中制得氧化亚硅（SiO），再与碳复合制成。从平衡能量密度与倍率性能的视角出 发，目前硅氧负极的综合性能较好，其既能发挥硅的高容量优势，又能够抑制硅的体积变化， Li+在 SiO 中具有更高的扩散速度，表现出更好的倍率性能。 硅基负极产业化难点主要在于其嵌锂过程的体积膨胀所带来的低寿命、导电差、首效低、容量衰 减等问题，因此目前硅基负极的产业化往往需要搭配预锂化、微观结构优化等工艺，以及新型导 电剂、粘结剂、电解液的使用来进行，具有很高技术壁垒，这一点我们已在《硅基负极：新一代 锂电材料，市场化进程加速》中进行过讨论，贝特瑞、杉杉、石大胜华等工艺能力领先的行业龙 头企业技术储备优势明显，产品性能优秀。

极片设计：优化孔隙率与组分分布，实现倍率性能与能量密度 的最大化。在多孔电极中，电极的性能与固相导电颗粒组成的电子导电网络，以及孔隙中的电解液构成的液 相离子传输网络密切相关，电极的倍率性能受到孔隙率、孔径大小与分布、曲折度及电极组分分 布等电极结构参数的影响。 在电极与上述参数有关的设计中，存在着离子导电与电子导电的权衡，也存在着倍率性能与能量 密度的权衡。例如大孔隙率有利于电解液浸润极片，加快离子在孔隙中的传导，但却增大了电子 在固体活性物质中的传导难度，同时大孔隙率也不利于增大极片容量，提高能量密度；再例如导 电剂的添加有利于极片的电子导电能力，但却有可能阻碍离子在孔隙的传导，同时会摊薄活性物 质降低能量密度。 对于充电过程的负极，其离子的传导方向是从隔膜到集流体，电子传导方向则是从集流体到隔膜， 二者在传导过程中不断在负极活性物质表面结合，因此，从集流体到隔膜方向上离子流密度由小 变大，电子流密度由大变小。

因此，根据离子与电子在极片中的传导特性对极片中孔隙率、各组分的分布进行优化设计是当前 兼顾倍率性能与能量密度，提高性能的重要途径之一。从集流体到电极表面孔隙率逐渐提升的电 极不但能够保证足够的离子扩散速度，还能保证良好的电子传导特性以及较大的能量密度，例如 SFC480 超快充电池所采用的复合多孔电极技术，就是将原本均匀分布的孔隙率变为由集流体到 电极表面逐渐提高的孔隙率分布，从而同时实现更高的面密度和更好的动力学性能；同理在导电 剂总含量不变的情况下，增加下层导电剂含量，减少上层导电剂含量，也可以获得更好的电化学 性能。 极片的分层制备技术对电池厂商电芯制造的前段工艺提出了很高的要求，尤其是涂布方案的选择、 干燥温度时间等参数的确定，都会对极片和最终电芯的性能和一致性产生很大的影响，因而具有 较高壁垒。

多面液冷：强化散热，保障快充的安全稳定。快充过程电芯的大量产热需要通过 PACK 层面的冷却系统进行散热以保障快充过程的安全稳定。 常见的电池热管理系统的冷却方式主要分为以下三类：1）风冷：以低温空气为介质，利用自然 风或风机进行散热，这一形式主要应用于早期的电动乘用车；2）间接液冷：设置冷却板，通过 冷却板中液体流动带走热量；3）直接液冷（浸没式）：将电池浸没在冷却液中进行冷却，需避 免短路，对系统的绝缘性要求较高。目前间接液冷是主流的冷却方案。 在高倍率快充的过程中，电芯短时间大量产热，对散热的要求更高。目前主流的间接液冷采用单 面水冷板，这一形式往往难以满足短时间大散热量的要求，造成电芯上下温差大，局部温度高等 问题。

目前针对快充电池系统，厂商往往采用多面水冷的设计增加换热面数以获得更好的换热效果。例 如宁德时代麒麟电池的弹性夹层水冷系统，水冷板从底部改为立式，置于电芯之间，使得换热面 积增大 4 倍；特斯拉则采用立式蛇形水冷板+上面水冷板的设计，实现多面液冷。此外欣旺达 SFC480 电池、上汽魔方电池也均采用多面水冷技术以满足散热需求。多面液冷的设计考验电池 厂商的系统集成能力，同时也将增加对水冷板等部件的需求量。