【原创】快充正在成为行业趋势,盘点五类快充负极材料


来源:中国粉体网   文正

[导读]  随着新能源汽车渗透率的快速提升,车企的竞争更加深化和多元,快充技术的进步、补能效率的提升或成为新能源汽车产业链的下一个风口。

中国粉体网讯  续航和充电问题是制约新能源汽车发展的两个重要因素,也是大众普遍关注的问题。


随着动力电池技术的进步,新能源汽车的续航里程有了很大提升,续航焦虑问题日渐缓解。除了续航外,充电焦虑是新能源汽车需要面对的另一个问题,充电效率的高低直接影响到用车体验。


缩短充电时间是提升新能源汽车品牌力和使用体验的关键之一。有分析认为,随着新能源汽车渗透率的快速提升,车企的竞争更加深化和多元,快充技术的进步、补能效率的提升也成为新能源汽车产业链的下一个风口。


2022年,一些新能源车型开始重视快充性能,小鹏G9、理想L9纷纷配套大功率充电,蔚来ES7搭载了400V的高压快充技术。另外,主流电池公司也正在推动充电倍率从1C-2C向4C升级。宁德时代最新发布的麒麟电池,据介绍,可支持5分钟热启动及10分钟快充至80%。比亚迪最新海豹车型搭载新一代刀片快充电池,充电15分钟,可行驶300公里。欣旺达的超级快充电池充电10分钟续航可达到400公里,计划今年年底量产。广汽集团的石墨烯基超级快充电池可在8分钟充满80%。


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1、什么是快充?


新能源汽车充电分为交流慢充和直流快充,要想实现“快充”需依赖直流快充,决定充电速率的指标是充电功率。行业对大功率充电没有明确规定,属于较宽泛的行业术语,一般而言,125kW以上的充电功率为大功率。


动力电池快充就是运用大功率充电,市场领先的动力电池包已经能够支持2C充电倍率(充电倍率是充电快慢的一种量度,充电倍率=充电电流/电池额定容量)。通俗来讲,1C充电可在60min将电池系统电量充满,4C代表15min可将电量充满。充放电倍率决定了电芯的脱嵌锂反应的速率,同时也会伴随不同程度的产热或析锂,倍率越高析锂和产热越严重。


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2、负极是快充电池的决定因素


快充电池需要在电池材料上做出改变和升级,提升电池的快充性能类似木桶效应,短板在负极,它是电池充电倍率的决定因素。


负极对快充的影响强于正极。多项研究表明,正极的降解和正极CEI膜的增长对传统锂离子电池的快充没有影响。影响锂沉积和沉积结构(析锂)的因素包括:①锂离子在负极内的扩散速率;②负极界面处电解质的浓度梯度;③电极/电解质界面的副反应。


3、快充类负极材料有哪些?


①石墨材料


石墨负极是目前锂离子电池市场应用最多的负极材料,但是石墨材料较慢的嵌锂过程阻碍了锂离子电池的快充应用。石墨负极存在析锂问题,会影响动力电池的使用寿命,同时析出的锂金属会以枝晶的形式生长,容易刺穿隔膜,引发电池内部短路,造成严重的安全问题。


针对石墨负极存在的问题,可以通过石墨改性、表面氧化、改善电解液润湿性、改善SEI膜等策略提升石墨负极的快充性能。


②硅基材料


硅的电压平台比石墨高,充电时析锂的可能性不大,安全性能上较石墨有很大优势。硅是地壳中丰度最高的元素之一,来源广泛,价格便宜。但是在充放电过程中,硅的体积会膨胀100%-300%,体积的巨大变化会造成硅基负极材料的粉末化,严重影响电池寿命。


硅氧、硅碳负极材料通过纳米化、线性化、壳核化、微孔化等策略进行处理,具有优良的高倍率性能,能够满足快充需要。


③硬碳材料


硬碳材料内部为较大的层间距和随机排列的晶体结构,Li+在硬碳中的扩散系数显著高于石墨材料,适合作为快充和功率型电池的负极材料。硬碳材料具有很高的锂插入潜力,材料中具有微孔,且与电解液兼容性好,因此反应动力学性能良好。硬碳材料有很多优势,比如高倍率、高安全、长寿命、耐低温等。但是硬碳材料也存在成本高、能量密度低、首次效率低等问题。


硬碳作为快充材料,其电压平台利于Li+快速嵌入,不容易析锂,安全性能好。硬碳材料可以采用表面修饰,减少副反应,提升首效;同时进行掺杂,提升能量密度。


④钛酸锂材料


钛酸锂是一种具有尖晶石结构的复合氧化物,具有三维锂离子扩散通道,有利于Li+在其中快速迁移,离子扩散系数比石墨高一个数量级,电化学反应速度快,大大缩短了充电时间。比如珠海银隆钛酸锂电池采用钛酸锂代替石墨作为负极,实现了电池快充和超长寿命。珠海银隆的快充公交车已在各地普遍应用。


⑤铝基材料


中国科学院深圳先进技术研究院日前报道了最新的铝基复合负极材料成果。铝箔既是负极又是集流体,锂离子运动到铝箔负极表面,可以快速形成铝锂合金;在放电时,锂离子可以轻松地从铝锂合金中脱出,具备快充的先天优势。据报道,该成果的电池产品20分钟即可充满电。如果将复合铝箔作为快充负极,其在成本控制、规模化稳定制备等方面具有很大优势。


随着锂电技术的快速发展,电池的能量密度已经得到了极大提升,同时动力电池市场对于缩短充电时间的需求也在不断增加,快充技术成为近年来锂电技术发展的重要趋势。随着电池材料的不断完善,快充或成为新能源汽车领域新的角逐地,未来快充技术的应用也将更加广泛。


参考来源:

1、新能源车下一必争之地?快充电池催生材料升级需求这些公司走在前列.财联社

2、电车2.0快充时代:补能提效,从电池材料、零部件看投资机会.天风证券

3、解决续航焦虑,快充会成为主流吗?再谈快充铝负极.懂车帝

4、浅谈快充类负极材料.头条号·风中浪者

5、新型铝基复合负极材料让电池抗冻又耐热.科技日报


(中国粉体网编辑整理/文正)

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作者:文正

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