对于新兴行业，其早期市场与主流市场之间存在一条巨大的鸿沟，能否跨越鸿沟，赢得实用主义 者的支持，进而成为主流市场，决定了行业的成败。 我们在系列报告第一篇《解决消费者核心需求，寻找动力电池发展的主旋律》中我们已经提到， 虽然当前新能源车渗透率已经迅速攀升至 30%以上，但其消费群体仍然保持了创新者和早期使用 者的特征，当前消费者以换购和增购家庭为主，其购车动力更多源于对于新产品的偏好，新能源 车相对于燃油车的差异化与亮点是主要的驱动因素。新能源车市场当前正处在跨越鸿沟的关键节 点，要赢得主流消费者的支持，还需要补齐续航、快充和安全三大短板，其中快充正逐渐成为行 业竞争的下一条主赛道。
在电动汽车发展初期，续航里程不足的矛盾相对更加突出，获得优先发展。电动汽车购车补贴主 要以车辆续航里程以及动力电池能量密度为评价指标确定补贴额度，消费者需求叠加政策鼓励使 得在此期间动力电池的能量密度，以及纯电动汽车的续航里程迅速提高。
相比之下，快充整体发展相对滞后，但趋势已显。从 2017-2022 新上市车型平均快充时长基本 保持在 0.6-0.7h 之间，未体现出下降趋势；但最小快充时长自 2020 年开始从 0.5h 下降到 0.17h。
补贴退坡、新车平均标称续航超 500km、纯电动长途出行场景增多三方面的边际变化将驱动快 充发展提速： 1. 新能源汽车补贴逐步退坡，到 2023 年完全取消，政策层面对续航里程和能量密度的指引减弱。 2. 2022 年新上市车型的平均标称续航里程已经超过 500km，基本可以满足消费者在冬季之外的 长短途出行。继续提高带电量和续航里程，主要是为了满足在冬季低温和夏季高温下的出行需求。 3. 续航里程的提升带动纯电动汽车长途出行场景增多，反过来促进了消费者对途中快充的需求。 快充的实现需要动力电池和充电设施的共同发力，将带动高倍率电池和高压快充系统的迅速发展， 其中兼顾高倍率和高能量密度的动力电池是实现快充的重要技术基础。
产品视角：倍率性能与电芯容量、能量密度难兼顾
单方面追求倍率性能并非技术瓶颈。从现有高倍率电池的产品数据来看，很多容量在 10Ah 以下 的小动力电芯已经能够实现 10C 甚至 20C 以上的充电倍率，这说明对于混动电池、电动工具电池 等这类主要需求倍率性能，对电芯容量、能量密度要求不高的应用场景，做到很高的充电倍率并 非技术瓶颈。 反观纯电动车用动力电池，目前常见的电芯持续充电倍率都在 1C 左右，快充产品的充电倍率往 往也仅在 2-4C。其与小动力电芯的需求差异主要在于，纯电动车用动力电池除了需要较高的充放 电倍率之外，还需要较大的单体容量以及较高的能量密度以满足较大的系统带电量需求。因此， 从产品视角来看， 目前纯电动车用电芯满足快充需求的关键难点在于平衡兼顾电芯的倍率需求以 及容量、能量密度需求。
原理视角：极化造成电池产热、负极析锂、容量损失，负极是 主要瓶颈
极化的本质是电池内阻使得内电路离子与电子的中和过程跟不上外电路电子的迁移速率，造成电 极电位偏离平衡电位的现象。当电池无电流通过时，其两极之间的电位差为电池的平衡电位 E。 当有电流通过时，实际上出现了电子与离子两个流通过程：其中外电路为电子的流动，它起着在 电极表面累积电荷使电极电位偏离平衡状态的作用，也即极化作用；内电路为离子的迁移，它起 着吸收电子运动所传递的电荷使电极电位恢复平衡态的作用，也即去极化作用。由于内电路离子 迁移的阻力往往远大于外电路电子迁移的阻力，就产生了极化现象。充放电倍率越大、电池内部 离子迁移、反应的速度越慢（阻力越大），所产生的极化问题越严重。
在快充过程中，极化现象造成“正极电位偏高，负极电位偏低”，进而导致的负极析锂、容量损 失的以及电池产热是电芯实现超快充的主要障碍。 负极析锂：石墨的嵌锂电位仅为 0.1-0.2V，与锂的析出电位 0V 非常接近。快充过程中，严重的 极化现象容易使得负极电位降到 0V 的析锂电位以下，从而造成锂的析出，进而减少电池寿命， 或产生锂枝晶造成电池短路等问题影响电池安全。
容量损失：充电过程的电池极化会使得电池的外电压更早地到达充电的截止电压，充电倍率越高， 极化越强，到达截止电压的速度越快，电池的可用容量越小，造成充电倍率越大，电池的可用容 量越小的问题。
电池产热：极化越强不可逆产热越大，高倍率下不可逆热为主导，负极是主要的产热环节。 电池充放电过程中的产热主要分为两部分，即可逆热和不可逆热。其中可逆热与电池内的化学反 应进程有关，吸/放热方向与材料的熵热系数∂U ∂T 相关，产热率与电流成一次方关系；充电过程电池 极化电压与平衡电压之间的差值称为过电压，过电压与电流的乘积即为电池充电过程不可逆的能 量消耗也即产生的不可逆热。其产热率与电流成二次方关系。因而高倍率下，会产生大量的不可 逆热，给大容量电芯的散热提出挑战。
负极是快充过程主要的产热环节，也即快充过程的主要瓶颈。从总产热率上来看，充电过程中超 过 95%的热量都在正负极上产生，而其中各时点产热又以负极为主导。对于可逆热，由于正极在 充电各阶段的熵热系数都接近于零，因而负极主导了可逆热的产生，在电池高速充电阶段 （20%~70%SOC）负极化学反应为放热反应，这加剧了快充过程的产热问题；对于不可逆热， 由于嵌锂反应的阻力要显著大于脱锂反应，因而充电过程中负极的不可逆热也要显著大于正极， 同时这也意味着负极是快充过程的主要限制环节。 因此，要想实现电池超快充，需要改善电池充电过程的极化问题，关键在于对负极的离子迁移条 件进行优化。
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。
下游产品方面，各电池厂商积极布局超快充技术，并且已有多款车型量产销售。从当前各电池厂 商发布的快充产品技术及配套已量产车型的性能来看，巨湾技研 6C 产品的装车性能领先，宁德 时代技术布局最为全面。从各快充车型的量产和交付情况来看，2022 年市场推出多款超快充车型， 其中小鹏 G9 交付量在 9-12 月迅速攀升，目前快充问题正得到关注和解决，23 年快充车型有望放 量。
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