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郑州华晶金刚石股份有限公司

充电15分钟,畅行300公里 新型电池让电动汽车甩掉“充电焦虑”

关键词 石墨 , 电池|2019-07-05 10:52:50|来源 科技日报
摘要 “充电焦虑”和“里程焦虑”是纯电动汽车大规模产业化面临的一大障碍。在近日召开的2019世界新能源汽车大会上,一项名为“高比能快充锂离子电池”的技术获得了全球新能源汽车创新技术奖。该...

       “充电焦虑”和“里程焦虑”是纯电动汽车大规模产业化面临的一大障碍。在近日召开的2019世界新能源汽车大会上,一项名为“高比能快充锂离子电池”的技术获得了全球新能源汽车创新技术奖。
       该技术突破了石墨体系不能快速充电的技术瓶颈,在保持高能量密度、高安全性、长寿命等优点基础上,可在15分钟内完成100%充电,确保电动汽车300公里的续航里程。
       这一技术的秘诀何在,如何能够在实现电动车快速充电的同?#20445;?#20063;让新能源用户感受到类似手机一样的“充电五分钟,通话两小时”的便捷?
       目前业界的快充方式均有弊端
       众所周知,对于纯电动汽车而言,电池系?#36710;?#20805;放电性能是决定车辆实际使用效果的重要指标。高能量密度和快速充电能力不仅是各动力电池厂商?#27426;?#21162;力开发的技术方向,更是新能源技术的核心领域。
       “锂离子电池又被称为摇椅电池。”宁德时代新能?#32431;?#25216;股份有限公司(以?#24405;?#31216;宁德时代)科研项目主管程晓燕告诉科技日报记者,摇椅的两端为电池的两极,锂离子在摇椅的两端来回奔跑。充电?#20445;?#38146;离子从电池的正极经过电解液移动到负极。作为负极的石墨呈层状结构,锂离子通过层间?#24230;?#21040;石墨中,?#24230;?#30340;锂离子越多,充电容量越高。
       衡量电动车充电效率的一个关键指标是充放电倍率(C)。充放电倍率,可以简单理解为充、放电的速率。锂离子电池的充放电倍率,决定了我们可以以多快的速度,将一定的能量存储到电池里面,或者以多快的速度,将电池里面的能量释放出来。例如,额定容量为100安时的电池用20安放电?#20445;?#20854;放电倍率为0.2C,所用的容量1小时放电完毕,称为1C放电;5小时放电完毕,则称为0.2C放电。
       业界普遍认为,电动汽车快充是指充电倍率大于1.6C的充电方式,也就是从0%充电到80%时间小于30分钟的技术。
       顾名思义,要缩短充电时间,就要?#27426;?#25552;高充放电倍率。快充技术的核?#27169;?#23601;是通过化学体系和设计优化,加速锂离子在正负极间移动的速度。但是,在研发快充技术时光考虑速度还不行。
       快充?#20445;?#38146;离子需要加速瞬时?#24230;?#21040;负极。这对负极快速接收锂离子的能力挑战很大。普通化学体系的电池,在快充时负极会出现析锂等副产物,影响电芯的循环和稳定性,只能采用可承受快充大电流的负极材料来做到快充。
       程晓燕表示,目前业界为了实现快速充电,普遍采用钛酸锂和无定形碳作为负极活性材料,但是钛酸锂和无定形碳在实际应用中均不可避免的存在能量密度?#29616;?#19981;足、成本高的?#27605;藎?#24120;规增加导电材料用量的设计,也会影响电芯的能量密度。“近年来,部分厂商开始探索将石墨作为活性材料,但石墨在作为快充材料时面临的难题是,如何让锂电子快速从正极释放出来,再快速从负极进去。”
       程晓燕解释说,石墨更像高速路,虽然能量密度更高,但锂电子只能?#25215;?#36890;过。
       也就是说,石墨并非天生适合于快充技术的材质。“但我们用技术突破了材?#26102;?#36523;瓶颈,它的杀手锏就是‘快离子环’和‘超电子网’。”程晓燕感叹道。
       快离子环和超电子网让充电加速
       “我们以石墨作为负极主?#27169;?#21019;新性运用孔道优化和‘快离子环’技术,在石墨表面打造一圈高速通道,使锂离子能快速?#24230;?#30707;墨的任何位置,大大提高锂离子在石墨负极的?#24230;?#36895;度,并且,修饰后的石墨兼顾超级快充和高能量密度的特性,不会在快充时在负极会出现副产物,影响电芯的循环和稳定性。”程晓燕说。
       此外,技术团队开发了“超电子网”技术修饰正极材料,结合正负极极片的晶体取向和容量过量系数等设计参数调配,优化电解液、正负极的动力学性能,使化学体系和电池设计参数达到最优匹配。
       “通俗来讲,‘快离子环’和‘超电子网’分别作用于负极和正极,为大量锂离子同时涌入负极建立快速通道,提高锂离子扩散速率。”程晓燕说。
       此外,在机?#23548;?#35774;计方面,该团队创造性地对电池单体顶盖进行简化设计,将电极端子设置到顶?#21069;?#20391;面并减小端子厚度,显著降低内阻,?#34892;?#25511;制快充发热量,保证快充可靠性的同时提高5%以上能量密度。
       “我们的快充技术具备4C—5C快充能力,实现10—15分钟快速充电,与钛酸锂负极的快充体系相比,具有明显的能量密度和成本优势,与行业内同样用石墨作负极的其他快充技术相比,保持同等电池能量密度条件下,能提高20%—30%充电速度,并具有更好的循环和耐候性能。”程晓燕说。
       已成功应用于5000多台大巴
       目前,宁德时代研发的以快充石墨为负极主材的超级铁锂快充电池,已经应用在超过5000台电动大巴上,大巴运行状态良好,得到整车企业和公交用户的好评,该电池也被交通?#31185;?#20026;“新能源公交最佳口碑电池?#34180;?br/>       该电池除了能量密度有较大优势,在循环寿命方面,以应用工况较为?#37327;?#30340;公交车为例,平均每天满充满放次数约2次,粗算下来,满足8年运营需求,电池循环需要5600?#25105;?#19978;。超级铁锂电池电芯循环寿命则可达10000次,不仅能完全满足电动车运营需求,电动车退役后还可用于储能等梯次利用,创造更多经济价值。
       “为了确保快充电芯的安全可靠性,我们还开发了专门的技术来识别化学体系在不同温度和SOC状态下的‘健康充电区间’, 然后在这个‘健康充电区间’范围内进行快充,?#28034;?#20197;既实现快速充电,又可以不让电池受到快充的损害,做到快充、长循环和安全可靠性兼顾。”程晓燕表示。
       耐候性方面,为满足北方冬天低温充电和南方夏天高温工况的要求,技术团队专门开发了高效热管理系统,确保电池处于合理的温度区间。低温时可快速为电芯加热,温度达到要求?#32431;?#24320;启快充模式;高?#29575;保?#31995;统会给电芯降温,真正做到“全气候”的快充。
       “我们正在开发单体能量密度大于160瓦时每千克的2C—2.5C高能量密度长寿命(循环大于6000次)快充铁锂电池,预计2019年年底量产。本技术同时向三元体系乘用车应用与发展,已实现350公里续航,15分钟内完成充电。”程晓燕说,公司还计划在未来1—2年内推出能量密度高达255瓦时每千克的三元动力电池产品,可在18分钟内完成快速充电。

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