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從高功率快充看動力電池性能提升

鉅大LARGE  |  點擊量:1074次  |  2020年01月16日  

充電速度作為動力電池的核心性能指標,對于電動汽車的使用體驗起著至關重要的作用。


聚焦于此,頭部動力電池企業都在該領域持續投入。以寧德時代最新推出的快充技術為例,15分鐘即可將電池荷電狀態(SOC)從8%增加到80%。



圖1寧德時代的快充技術


有業內人士表示,寧德時代發布的快充技術跟高功率直流充電密切相關。


高功率充電,一般指充電樁提供超過150KW,對動力電池進行大電流充電。


高功率充電的好處是充電樁使用的頻率提高,其服務能力得到擴張,消費者滿意度提升,盈利也能得到改善。


同時還可以實現400V大電流或800V小電流充電,大幅降低新能源汽車的續航里程焦慮。



圖2不同電壓下充電樁的電流輸出


對于高功率充電的技術難度,據高工鋰電了解,主要集中在動力電池。


緣由是對充電樁而言,輸出高電壓和高電流的技術難度遠比電池化學性能提升要容易的多。


從動力電池的層面看高功率充電,主要取決于電芯析鋰窗口和熱管理。


析鋰是鋰離子沉積,擇優取向生長出枝晶,容易刺穿隔膜,導致電芯內短路。熱管理則是充電電流大,電池有內阻,產生大量的熱,溫度升高,需進行管控。



圖3鋰枝晶刺穿隔膜


從現在的高功率充電模式看,一般是先恒流大電流,再恒壓小電流充電。一方面電池本身存在一個極限電流,一旦超過,就容易出現快充,內短路,熱失控等現象。


另一方面電池相當于電容器串聯電阻,這個電阻主要是物理電阻。


物理電阻只有幾毫歐姆,若電壓稍微增加幾伏特,按照電路原理,電流會增加幾百安倍。這時過大的電流會擊穿電容器,讓電池失去存儲電量的能力。


高功率充電的過程,打個比方,就像用水糊面。剛開始恒流充電,就相當于在面中注水。


最初,由于面粉結構較松散,與水的接觸的表面積大,容易混勻。隨著注入水越多,攪拌越困難,開始呈粘稠狀,這時要混勻就難得多了。


顯然再加水,就相當于繼續充電,屬于過充。這時電池內部的正負極電化學反應會受到比較大的破壞,引發安全性風險。


就國內來看,做高功率快充的電池企業主要有寧德時代、比亞迪、天津力神、微宏動力和銀隆新能源等企業。


其中產品性能普遍達到1C——2C的企業有寧德時代、比亞迪和天津力神,達到2C以上的主要是微宏動力和銀隆新能源,其余企業大多在0.2C——1C之間。


另外,高工鋰電從資深業內人士獲悉,國內高功率快充能做到10C以上,換而言之是不到6分鐘就充滿。但這種動力電池,能量密度可能會低一點,安全性風險高一點。


從制造上考慮,在新能源汽車裝載電池包的空間限定條件下,要想實現更高的功率快充,至少要加快鋰離子的遷移速率和反應嵌入數量。


解決方式,一般從電池材料體系和材料工藝兩方面進行。


材料體系方面,比如負極使用硅碳復配石墨、正極高鎳多摻鈷元素等方式來提升高功率快充能力。


關于高鎳三元正極,鎳決定著能量密度,鈷影響快充能力,錳或鋁元素起穩定平衡作用。在一定程度上,鈷含量越高,快充能力就越強,但能量密度相對低一些。



圖4三元材料中鈷不同比例的能量密度


材料工藝上,常用的是碳化學包覆、電化學腐蝕,石墨改性,材料納米化等方式增加鋰離子遷移時的接觸表面積,多存儲和捕獲鋰離子。也有用更高性能的隔膜,加速鋰離子從正極遷出,經電解液通過隔膜的速率。


其中對電池而言,高功率快充跟高能量密度往往是“矛盾”關系。原因是要快充就需要鋰離子遷移的正負極比表面積大,再加上電極本身受尺寸限制,涂層厚度不能太厚,就只能縮減電池能量密度。


另外快充和高能量密度都容易增加副反應,出現析鋰沉積,從而縮減循環使用壽命,甚至引發安全隱患。


所以電池性能提升要在高功率快充和高能量密度之間尋找平衡,有側重點進行選擇。不能簡單粗暴的通過高功率充電來實現快充。


聲明:


1、圖片來源于公號汽車電子設計、寧德時代、皆電GeekNEV、EV知道,如涉及版權,請聯系。


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