新型電池讓電動汽車甩掉“充電焦慮”

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石墨表面的高速通道受訪者供圖

“充電焦慮”和“里程焦慮”是純電動汽車大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化面臨的一大障礙。在近日召開的2019世界新能源汽車大會上，一項名為“高比能快充鋰離子電池”的技術獲得了全球新能源汽車創(chuàng)新技術獎。

該技術突破了石墨體系不能快速充電的技術瓶頸，在保持高能量密度、高安全性、長壽命等優(yōu)點基礎上，可在15分鐘內(nèi)完成100%充電，確保電動汽車300公里的續(xù)航里程。

這一技術的秘訣何在，如何能夠在實現(xiàn)電動車快速充電的同時，也讓新能源用戶感受到類似手機一樣的“充電五分鐘，通話兩小時”的便捷?

目前業(yè)界的快充方式均有弊端

眾所周知，對于純電動汽車而言，電池系統(tǒng)的充放電性能是決定車輛實際使用效果的重要指標。高能量密度和快速充電能力不僅是各動力電池廠商不斷努力開發(fā)的技術方向，更是新能源技術的核心領域。

“鋰離子電池又被稱為搖椅電池。”寧德時代新能源科技股份有限公司(以下簡稱寧德時代)科研項目主管程曉燕告訴科技日報記者，搖椅的兩端為電池的兩極，鋰離子在搖椅的兩端來回奔跑。充電時，鋰離子從電池的正極經(jīng)過電解液移動到負極。作為負極的石墨呈層狀結(jié)構(gòu)，鋰離子通過層間嵌入到石墨中,嵌入的鋰離子越多，充電容量越高。

衡量電動車充電效率的一個關鍵指標是充放電倍率(C)。充放電倍率，可以簡單理解為充、放電的速率。鋰離子電池的充放電倍率，決定了我們可以以多快的速度，將一定的能量存儲到電池里面，或者以多快的速度，將電池里面的能量釋放出來。例如，額定容量為100安時的電池用20安放電時，其放電倍率為0.2C，所用的容量1小時放電完畢，稱為1C放電;5小時放電完畢，則稱為0.2C放電。

業(yè)界普遍認為，電動汽車快充是指充電倍率大于1.6C的充電方式，也就是從0%充電到80%時間小于30分鐘的技術。

顧名思義，要縮短充電時間，就要不斷提高充放電倍率?？斐浼夹g的核心，就是通過化學體系和設計優(yōu)化，加速鋰離子在正負極間移動的速度。但是，在研發(fā)快充技術時光考慮速度還不行。

快充時，鋰離子需要加速瞬時嵌入到負極。這對負極快速接收鋰離子的能力挑戰(zhàn)很大。普通化學體系的電池，在快充時負極會出現(xiàn)析鋰等副產(chǎn)物，影響電芯的循環(huán)和穩(wěn)定性，只能采用可承受快充大電流的負極材料來做到快充。

程曉燕表示，目前業(yè)界為了實現(xiàn)快速充電，普遍采用鈦酸鋰和無定形碳作為負極活性材料，但是鈦酸鋰和無定形碳在實際應用中均不可避免的存在能量密度嚴重不足、成本高的缺陷，常規(guī)增加導電材料用量的設計，也會影響電芯的能量密度。“近年來，部分廠商開始探索將石墨作為活性材料，但石墨在作為快充材料時面臨的難題是，如何讓鋰電子快速從正極釋放出來，再快速從負極進去。”

程曉燕解釋說，石墨更像高速路，雖然能量密度更高，但鋰電子只能順序通過。

也就是說，石墨并非天生適合于快充技術的材質(zhì)。“但我們用技術突破了材質(zhì)本身瓶頸，它的殺手锏就是‘快離子環(huán)’和‘超電子網(wǎng)’。”程曉燕感嘆道。

快離子環(huán)和超電子網(wǎng)讓充電加速

“我們以石墨作為負極主材，創(chuàng)新性運用孔道優(yōu)化和‘快離子環(huán)’技術，在石墨表面打造一圈高速通道，使鋰離子能快速嵌入石墨的任何位置，大大提高鋰離子在石墨負極的嵌入速度，并且，修飾后的石墨兼顧超級快充和高能量密度的特性，不會在快充時在負極會出現(xiàn)副產(chǎn)物，影響電芯的循環(huán)和穩(wěn)定性。”程曉燕說。

此外，技術團隊開發(fā)了“超電子網(wǎng)”技術修飾正極材料，結(jié)合正負極極片的晶體取向和容量過量系數(shù)等設計參數(shù)調(diào)配，優(yōu)化電解液、正負極的動力學性能，使化學體系和電池設計參數(shù)達到最優(yōu)匹配。

“通俗來講，‘快離子環(huán)’和‘超電子網(wǎng)’分別作用于負極和正極，為大量鋰離子同時涌入負極建立快速通道，提高鋰離子擴散速率。”程曉燕說。

此外，在機械件設計方面，該團隊創(chuàng)造性地對電池單體頂蓋進行簡化設計，將電極端子設置到頂蓋板側(cè)面并減小端子厚度，顯著降低內(nèi)阻，有效控制快充發(fā)熱量，保證快充可靠性的同時提高5%以上能量密度。

“我們的快充技術具備4C—5C快充能力，實現(xiàn)10—15分鐘快速充電，與鈦酸鋰負極的快充體系相比，具有明顯的能量密度和成本優(yōu)勢，與行業(yè)內(nèi)同樣用石墨作負極的其他快充技術相比，保持同等電池能量密度條件下，能提高20%—30%充電速度，并具有更好的循環(huán)和耐候性能。”程曉燕說。

已成功應用于5000多臺大巴

目前，寧德時代研發(fā)的以快充石墨為負極主材的超級鐵鋰快充電池，已經(jīng)應用在超過5000臺電動大巴上，大巴運行狀態(tài)良好，得到整車企業(yè)和公交用戶的好評，該電池也被交通部評為“新能源公交最佳口碑電池”。

該電池除了能量密度有較大優(yōu)勢，在循環(huán)壽命方面，以應用工況較為苛刻的公交車為例，平均每天滿充滿放次數(shù)約2次，粗算下來，滿足8年運營需求，電池循環(huán)需要5600次以上。超級鐵鋰電池電芯循環(huán)壽命則可達10000次，不僅能完全滿足電動車運營需求，電動車退役后還可用于儲能等梯次利用，創(chuàng)造更多經(jīng)濟價值。

“為了確?？斐潆娦镜陌踩煽啃裕覀冞€開發(fā)了專門的技術來識別化學體系在不同溫度和SOC狀態(tài)下的‘健康充電區(qū)間’, 然后在這個‘健康充電區(qū)間’范圍內(nèi)進行快充，就可以既實現(xiàn)快速充電，又可以不讓電池受到快充的損害，做到快充、長循環(huán)和安全可靠性兼顧。”程曉燕表示。

耐候性方面，為滿足北方冬天低溫充電和南方夏天高溫工況的要求，技術團隊專門開發(fā)了高效熱管理系統(tǒng)，確保電池處于合理的溫度區(qū)間。低溫時可快速為電芯加熱，溫度達到要求即可開啟快充模式;高溫時，系統(tǒng)會給電芯降溫，真正做到“全氣候”的快充。

“我們正在開發(fā)單體能量密度大于160瓦時每千克的2C—2.5C高能量密度長壽命(循環(huán)大于6000次)快充鐵鋰電池，預計2019年年底量產(chǎn)。本技術同時向三元體系乘用車應用與發(fā)展，已實現(xiàn)350公里續(xù)航，15分鐘內(nèi)完成充電。”程曉燕說，公司還計劃在未來1—2年內(nèi)推出能量密度高達255瓦時每千克的三元動力電池產(chǎn)品，可在18分鐘內(nèi)完成快速充電。