“充電焦慮”和“路程焦慮”是純電動轎車大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化面對的一大妨礙。在近來舉行的2019世界新能源轎車大會上,一項名為“高比能快充鋰離子電池”的技能獲得了全球新能源轎車立異技能獎。
該技能突破了石墨體系不能快速充電的技能瓶頸,在堅持高能量密度、高安全性、長壽數(shù)等優(yōu)點基礎(chǔ)上,可在15分鐘內(nèi)完結(jié)100%充電,保證電動轎車300公里的續(xù)航路程。
這一技能的秘訣安在,怎么能夠在完結(jié)電動車快速充電的一起,也讓新能源用戶感受到相似手機一樣的“充電五分鐘,通話兩小時”的快捷?
現(xiàn)在業(yè)界的快充方法均有壞處
眾所周知,對于純電動轎車而言,電池體系的充放電功能是決議車輛實踐使用效果的重要目標(biāo)。高能量密度和快速充電才能不僅是各動力電池廠商不斷盡力開發(fā)的技能方向,更是新能源技能的核心領(lǐng)域。
“鋰離子電池又被稱為搖椅電池。”寧德年代新能源科技股份有限公司(以下簡稱寧德年代)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(fù)極。作為負(fù)極的石墨呈層狀結(jié)構(gòu),鋰離子經(jīng)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(guān)鍵目標(biāo)是充放電倍率(C)。充放電倍率,能夠簡略理解為充、放電的速率。鋰離子電池的充放電倍率,決議了咱們能夠以多快的速度,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小時放電結(jié)束,稱為1C放電;5小時放電結(jié)束,則稱為0.2C放電。
業(yè)界遍及認(rèn)為,電動轎車快充是指充電倍率大于1.6C的充電方法,也便是從0%充電到80%時刻小于30分鐘的技能。
望文生義,要縮短充電時刻,就要不斷進步充放電倍率。快充技能的核心,便是經(jīng)過化學(xué)體系和規(guī)劃優(yōu)化,加快鋰離子在正負(fù)極間移動的速度??墒?,在研制快充技能韶光考慮速度還不可。
快充時,鋰離子需求加快瞬時嵌入到負(fù)極。這對負(fù)極快速接收鋰離子的才能挑戰(zhàn)很大。一般化學(xué)體系的電池,在快充時負(fù)極會呈現(xiàn)析鋰等副產(chǎn)物,影響電芯的循環(huán)和穩(wěn)定性,只能選用可承受快充大電流的負(fù)極資料來做到快充。
程曉燕表明,現(xiàn)在業(yè)界為了完結(jié)快速充電,遍及選用鈦酸鋰和無定形碳作為負(fù)極活性資料,可是鈦酸鋰和無定形碳在實踐使用中均不可避免的存在能量密度嚴(yán)重不足、成本高的缺點,常規(guī)增加導(dǎo)電資料用量的規(guī)劃,也會影響電芯的能量密度。“近年來,部分廠商開端探索將石墨作為活性資料,但石墨在作為快充資料時面對的難題是,怎么讓鋰電子快速從正極釋放出來,再快速從負(fù)極進去。”
程曉燕解說說,石墨更像高速路,盡管能量密度更高,但鋰電子只能順序經(jīng)過。
也便是說,石墨并非天然生成適合于快充技能的原料。“但咱們用技能突破了原料本身瓶頸,它的殺手锏便是‘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)讓充電加快
“咱們以石墨作為負(fù)極主材,立異性運用孔道優(yōu)化和‘快離子環(huán)’技能,在石墨外表打造一圈高速通道,使鋰離子能快速嵌入石墨的任何方位,大大進步鋰離子在石墨負(fù)極的嵌入速度,而且,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(fù)極會呈現(xiàn)副產(chǎn)物,影響電芯的循環(huán)和穩(wěn)定性。”程曉燕說。
此外,技能團隊開發(fā)了“超電子網(wǎng)”技能修飾正極資料,結(jié)合正負(fù)極極片的晶體取向和容量過量系數(shù)等規(guī)劃參數(shù)分配,優(yōu)化電解液、正負(fù)極的動力學(xué)功能,使化學(xué)體系和電池規(guī)劃參數(shù)到達最優(yōu)匹配。
“通俗來講,‘快離子環(huán)’和‘超電子網(wǎng)’分別作用于負(fù)極和正極,為很多鋰離子一起涌入負(fù)極樹立快速通道,進步鋰離子擴散速率。”程曉燕說。
此外,在機械件規(guī)劃方面,該團隊發(fā)明性地對電池單體頂蓋進行簡化規(guī)劃,將電極端子設(shè)置到頂蓋板側(cè)面并減小端子厚度,顯著降低內(nèi)阻,有效操控快充發(fā)熱量,保證快充可靠性的一起進步5%以上能量密度。
“咱們的快充技能具有4C—5C快充才能,完結(jié)10—15分鐘快速充電,與鈦酸鋰負(fù)極的快充體系比較,具有顯著的能量密度和成本優(yōu)勢,與行業(yè)界相同用石墨作負(fù)極的其他快充技能比較,堅持平等電池能量密度條件下,能進步20%—30%充電速度,并具有更好的循環(huán)和耐候功能。”程曉燕說。
已成功使用于5000多臺大巴
現(xiàn)在,寧德年代研制的以快充石墨為負(fù)極主材的超級鐵鋰快充電池,已經(jīng)使用在超越5000臺電動大巴上,大巴運轉(zhuǎn)狀況良好,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)壽數(shù)方面,以使用工況較為嚴(yán)苛的公交車為例,平均每天滿充溢放次數(shù)約2次,粗算下來,滿意8年運營需求,電池循環(huán)需求5600次以上。超級鐵鋰電池電芯循環(huán)壽數(shù)則可達10000次,不僅能徹底滿意電動車運營需求,電動車退役后還可用于儲能等梯次使用,發(fā)明更多經(jīng)濟價值。
“為了保證快充電芯的安全可靠性,咱們還開發(fā)了專門的技能來識別化學(xué)體系在不同溫度和SOC狀況下的‘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,就能夠既完結(jié)快速充電,又能夠不讓電池受到快充的危害,做到快充、長循環(huán)和安全可靠性兼顧。”程曉燕表明。
耐候性方面,為滿意北方冬天低溫充電和南邊夏天高溫工況的要求,技能團隊專門開發(fā)了高效熱辦理體系,保證電池處于合理的溫度區(qū)間。低溫時可快速為電芯加熱,溫度到達要求即可敞開快充模式;高溫時,體系會給電芯降溫,真實做到“全氣候”的快充。
“咱們正在開發(fā)單體能量密度大于160瓦時每千克的2C—2.5C高能量密度長壽數(shù)(循環(huán)大于6000次)快充鐵鋰電池,估計2019年年底量產(chǎn)。本技能一起向三元體系乘用車使用與開展,已完結(jié)350公里續(xù)航,15分鐘內(nèi)完結(jié)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)完結(jié)快速充電。
該技能突破了石墨體系不能快速充電的技能瓶頸,在堅持高能量密度、高安全性、長壽數(shù)等優(yōu)點基礎(chǔ)上,可在15分鐘內(nèi)完結(jié)100%充電,保證電動轎車300公里的續(xù)航路程。
這一技能的秘訣安在,怎么能夠在完結(jié)電動車快速充電的一起,也讓新能源用戶感受到相似手機一樣的“充電五分鐘,通話兩小時”的快捷?
現(xiàn)在業(yè)界的快充方法均有壞處
眾所周知,對于純電動轎車而言,電池體系的充放電功能是決議車輛實踐使用效果的重要目標(biāo)。高能量密度和快速充電才能不僅是各動力電池廠商不斷盡力開發(fā)的技能方向,更是新能源技能的核心領(lǐng)域。
“鋰離子電池又被稱為搖椅電池。”寧德年代新能源科技股份有限公司(以下簡稱寧德年代)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(fù)極。作為負(fù)極的石墨呈層狀結(jié)構(gòu),鋰離子經(jīng)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(guān)鍵目標(biāo)是充放電倍率(C)。充放電倍率,能夠簡略理解為充、放電的速率。鋰離子電池的充放電倍率,決議了咱們能夠以多快的速度,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小時放電結(jié)束,稱為1C放電;5小時放電結(jié)束,則稱為0.2C放電。
業(yè)界遍及認(rèn)為,電動轎車快充是指充電倍率大于1.6C的充電方法,也便是從0%充電到80%時刻小于30分鐘的技能。
望文生義,要縮短充電時刻,就要不斷進步充放電倍率。快充技能的核心,便是經(jīng)過化學(xué)體系和規(guī)劃優(yōu)化,加快鋰離子在正負(fù)極間移動的速度??墒?,在研制快充技能韶光考慮速度還不可。
快充時,鋰離子需求加快瞬時嵌入到負(fù)極。這對負(fù)極快速接收鋰離子的才能挑戰(zhàn)很大。一般化學(xué)體系的電池,在快充時負(fù)極會呈現(xiàn)析鋰等副產(chǎn)物,影響電芯的循環(huán)和穩(wěn)定性,只能選用可承受快充大電流的負(fù)極資料來做到快充。
程曉燕表明,現(xiàn)在業(yè)界為了完結(jié)快速充電,遍及選用鈦酸鋰和無定形碳作為負(fù)極活性資料,可是鈦酸鋰和無定形碳在實踐使用中均不可避免的存在能量密度嚴(yán)重不足、成本高的缺點,常規(guī)增加導(dǎo)電資料用量的規(guī)劃,也會影響電芯的能量密度。“近年來,部分廠商開端探索將石墨作為活性資料,但石墨在作為快充資料時面對的難題是,怎么讓鋰電子快速從正極釋放出來,再快速從負(fù)極進去。”
程曉燕解說說,石墨更像高速路,盡管能量密度更高,但鋰電子只能順序經(jīng)過。
也便是說,石墨并非天然生成適合于快充技能的原料。“但咱們用技能突破了原料本身瓶頸,它的殺手锏便是‘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)讓充電加快
“咱們以石墨作為負(fù)極主材,立異性運用孔道優(yōu)化和‘快離子環(huán)’技能,在石墨外表打造一圈高速通道,使鋰離子能快速嵌入石墨的任何方位,大大進步鋰離子在石墨負(fù)極的嵌入速度,而且,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(fù)極會呈現(xiàn)副產(chǎn)物,影響電芯的循環(huán)和穩(wěn)定性。”程曉燕說。
此外,技能團隊開發(fā)了“超電子網(wǎng)”技能修飾正極資料,結(jié)合正負(fù)極極片的晶體取向和容量過量系數(shù)等規(guī)劃參數(shù)分配,優(yōu)化電解液、正負(fù)極的動力學(xué)功能,使化學(xué)體系和電池規(guī)劃參數(shù)到達最優(yōu)匹配。
“通俗來講,‘快離子環(huán)’和‘超電子網(wǎng)’分別作用于負(fù)極和正極,為很多鋰離子一起涌入負(fù)極樹立快速通道,進步鋰離子擴散速率。”程曉燕說。
此外,在機械件規(guī)劃方面,該團隊發(fā)明性地對電池單體頂蓋進行簡化規(guī)劃,將電極端子設(shè)置到頂蓋板側(cè)面并減小端子厚度,顯著降低內(nèi)阻,有效操控快充發(fā)熱量,保證快充可靠性的一起進步5%以上能量密度。
“咱們的快充技能具有4C—5C快充才能,完結(jié)10—15分鐘快速充電,與鈦酸鋰負(fù)極的快充體系比較,具有顯著的能量密度和成本優(yōu)勢,與行業(yè)界相同用石墨作負(fù)極的其他快充技能比較,堅持平等電池能量密度條件下,能進步20%—30%充電速度,并具有更好的循環(huán)和耐候功能。”程曉燕說。
已成功使用于5000多臺大巴
現(xiàn)在,寧德年代研制的以快充石墨為負(fù)極主材的超級鐵鋰快充電池,已經(jīng)使用在超越5000臺電動大巴上,大巴運轉(zhuǎn)狀況良好,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)壽數(shù)方面,以使用工況較為嚴(yán)苛的公交車為例,平均每天滿充溢放次數(shù)約2次,粗算下來,滿意8年運營需求,電池循環(huán)需求5600次以上。超級鐵鋰電池電芯循環(huán)壽數(shù)則可達10000次,不僅能徹底滿意電動車運營需求,電動車退役后還可用于儲能等梯次使用,發(fā)明更多經(jīng)濟價值。
“為了保證快充電芯的安全可靠性,咱們還開發(fā)了專門的技能來識別化學(xué)體系在不同溫度和SOC狀況下的‘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,就能夠既完結(jié)快速充電,又能夠不讓電池受到快充的危害,做到快充、長循環(huán)和安全可靠性兼顧。”程曉燕表明。
耐候性方面,為滿意北方冬天低溫充電和南邊夏天高溫工況的要求,技能團隊專門開發(fā)了高效熱辦理體系,保證電池處于合理的溫度區(qū)間。低溫時可快速為電芯加熱,溫度到達要求即可敞開快充模式;高溫時,體系會給電芯降溫,真實做到“全氣候”的快充。
“咱們正在開發(fā)單體能量密度大于160瓦時每千克的2C—2.5C高能量密度長壽數(shù)(循環(huán)大于6000次)快充鐵鋰電池,估計2019年年底量產(chǎn)。本技能一起向三元體系乘用車使用與開展,已完結(jié)350公里續(xù)航,15分鐘內(nèi)完結(jié)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)完結(jié)快速充電。