提升動力電池的能量密度和快充性能,被認為是當前解除消費者續(xù)航里程焦慮問題的可行路徑.

在補貼金額與能量密度掛鉤的倒逼之下,當前國內(nèi)大批動力電池企業(yè)通過改進材料體系和PACK輕量化等方式,實現(xiàn)了能量密度的大幅提升,系統(tǒng)能量密度達140wh/kg已經(jīng)成為一種常態(tài).但是在動力電池的快充性能方面卻遲遲沒有取得較大的突破.

日前,電動汽車大功率充電試點專題研討會在寧德成功召開.會議期間,CATL向參會代表展示了采用"超級鐵鋰+高能量密度快充石墨"體系的EnerSpeedy超級鐵鋰電池的充電過程.該產(chǎn)品是60Ah的超級鐵鋰電池,可進行5C充電,演示過程用時7分12秒,就完成了20%至80%的充電,而20%到100%充電,僅耗時13分8秒.

據(jù)了解,CATL超級鐵鋰電池5C速能型產(chǎn)品系統(tǒng)能量密度在70Wh/kg以上,3C高能型產(chǎn)品在115Wh/kg以上,循環(huán)壽命可達10000次.同時,CATL還開發(fā)了三元體系的快充電池,實現(xiàn)15分鐘內(nèi)SOC從5%充電到85%,能量密度190Wh/kg,循環(huán)壽命超過2500次,下一步在保證4C快充前提現(xiàn),能量密度可繼續(xù)提升至210Wh/kg.

CATL快充項目負責人王博士解釋,快充的重點在負極,而對于正極的選擇,無論是選三元還是選擇磷酸鐵鋰,都不會影響快充的性能發(fā)揮,還有它的可靠性.

因此,CATL采用了"快離子環(huán)"技術(shù)修飾,修飾后的石墨兼顧超級快充和高能量密度的特性,快充時負極不再出現(xiàn)副產(chǎn)物,所以大大提高鋰離子在石墨層的嵌入速度,從而實現(xiàn)優(yōu)異倍率性能、高能量密度及長循環(huán)壽命.

從CATL取得的成績來看,磷酸鐵鋰電池和三元電池都可以實現(xiàn)快充但影響產(chǎn)品性能,這無疑可以大大提升了鋰離子電池在電動汽車上的應(yīng)用,同時也給其它電池企業(yè)提供了借鑒和參考.在當前進入推薦目錄的新能源車型中,快充類車型的快充倍率基本上都在5C以下,表明國產(chǎn)動力電池的快充性能還有待提升,一旦能夠取得突破,相信中國的新能源汽車市場將會迎來真正的爆發(fā).

下面就來看本周鋰電行業(yè)都有哪些新技術(shù)和大事件吧.

1、富士通利用人工智能技術(shù)開發(fā)鋰電池技術(shù)

外媒報道,富士通株式會社和日本理化學研究所公布了最新的鋰電池研發(fā)技術(shù).兩者將應(yīng)用第一性原理計算(量子力學)以及人工智能AI技術(shù),對鋰離子電池的固態(tài)電解質(zhì)新材料開發(fā)做合成評估,可以在資料和數(shù)據(jù)不全的情況下,也能夠嘗試更多材料的結(jié)合,并得以實際驗證.同時有了人工智能技術(shù)的支持,將大幅度提升鋰電池材料的開發(fā)速度.

在傳統(tǒng)的鋰電池材料開發(fā)上,需要依賴研究人員長期積累的經(jīng)驗和敏銳的直覺,在嘗試新的材料合成時,對于數(shù)據(jù)的依賴也很高.而第一性原理計算將基于量子力學可以預測的特征(波函數(shù)特性),在實驗之前就可以感知新材料的最佳組合模式,從而大幅減少實驗失敗次數(shù).但同時第一性原理計算的負荷巨大,材料各種組成需要多重計算,將會耗費很長的研發(fā)時間.

所以研究小組引入人工智能AI技術(shù),使其可以控制制第一性原理計算的運算次數(shù),并更有指向性的對鋰離子電池固態(tài)電解質(zhì)的三種含有鋰的氧酸鹽合成化合物進行了預測.結(jié)果證實,該方法能在更短的時間內(nèi),預測高鋰離子傳導率的最佳材料組合.同時還能夠在預測過程中發(fā)現(xiàn)效率更強的高鋰離子傳導率.

點評:將精于大數(shù)據(jù)計算的量子力學和善于分析演算的AI技術(shù)結(jié)合開發(fā)鋰電池技術(shù),相比于人工腦力計算,的確可以大大提高研發(fā)的試錯率和成功率,同時可以將所有研發(fā)數(shù)據(jù)整合起來便于分析對比,為鋰電池的研發(fā)提高了數(shù)據(jù)支撐.如果這項技術(shù)一旦成熟應(yīng)用,新型鋰電池技術(shù)的開發(fā)或?qū)⒓涌?從而研發(fā)出能量密度更高、壽命更長、更安全的新一代鋰電池.

2、氧化石墨烯加速有機鋰電池商業(yè)化

鋰電池的鋰金屬在過充或多次循環(huán)使用后容易生成枝晶,進而刺穿隔離層導致自爆.

因此伊利諾伊大學芝加哥分校(UIC)與德克薩斯州A&M大學(TAMU)組成團隊,盼能加速找出解決辦法,并希望能透過超級電腦來了解枝晶形成過程中化學與物理原理.TAMU化學工程教授PerlaBalbuena表示,團隊目的是開發(fā)可保護鋰金屬的涂料,并可借由涂料減緩鋰沉積.

該團隊研發(fā)一種可噴在電池玻璃纖維分離層的氧化石墨烯(grapheneoxide)納米層片,這些材料能讓鋰離子順利流動,同時也可減緩并控制離子與電子結(jié)合變成中性原子的速度.該涂料讓原子沉積不會像針一樣不平均,而是在底部形成平坦表面.

研究員利用電腦模型與模擬,并結(jié)合物理實驗與顯微鏡成像.結(jié)果顯示鋰離子會在氧化石墨烯層上形成薄膜,再透過材料間隙沉積到氧化石墨烯層底下,材料間隙作用類似于懷舊彈珠臺的軌道,可放慢沉積速度與引導方向.

氧化石墨烯也可增加電池循環(huán)壽命,與其他電池的120次循環(huán)壽命相比,該電池可以達到160穩(wěn)定循環(huán).

該氧化石墨烯可借由便宜實惠的噴涂來達成,但由于涂料很薄,要確定位置是個挑戰(zhàn),Balbuena表示,實驗中也無法從微觀層面上確定涂層在哪,該涂料非常薄,所以不太需要精確定位其位置.

點評:無所不能的石墨烯又來了,按照該團隊的研究,在鋰電池用加入氧化石墨烯不但有望解決鋰枝晶問題,還能增加電池的循環(huán)壽命和安全性,簡直是"萬金油".但與此前所有石墨烯電池新聞一樣,這項技術(shù)的實際作用還停留在研究階段.

3、鋰空氣電池研究獲新突破

近日,一支來自美國伊利諾伊大學芝加哥分校(UIC)、阿貢國家實驗室和加州州立大學北嶺分校的聯(lián)合科研團隊在《自然》雜志上發(fā)表文章稱,采用了兩種策略來限制在含有代表性量的O2,N2,CO2和H2O的模擬空氣氛圍中的鋰-氧電池中的副反應(yīng).

首先,團隊開發(fā)了Li2CO3/C涂層鋰陽極僅允許鋰陽離子通過,從而保護陽極免受模擬空氣的成分影響.其次,基于先前報道的二硫化鉬納米薄片構(gòu)建陰極,并使用離子液體1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽(EMIM-BF4)和二甲基亞砜(DMSO)的混合物作為電解質(zhì).

該系統(tǒng)的組件一起運行,以防止在CO2和H2O存在下形成副產(chǎn)物.在模擬空氣環(huán)境中作為鋰空氣電池工作,循環(huán)壽命長達700次.

點評:相比于傳統(tǒng)的鋰離子電池,鋰空氣電池可以實現(xiàn)比鋰離子電池高得多的能量密度,原料也非常充足(鋰金屬單質(zhì)(Li)和空氣中的氧氣(O2)作為電極),有望打破電動汽車續(xù)航瓶頸,而且更環(huán)保.然而,與鋰離子電池2000次以上的循環(huán)壽命相比,鋰空氣電池只有700次循環(huán)壽命,無疑是致命的短板.