新型电池让电动汽车甩掉“充电焦虑”

“充电焦虑”和“里程焦虑”是纯电动汽车大规模产业化的主要障碍。在最近举行的2019年世界新能源汽车大会上，一项名为“高比能量和快速充电锂离子电池”的技术获得了全球新能源汽车创新技术奖。

该技术突破了石墨系统不能快速充电的技术瓶颈。该技术在保持高能量密度、高安全性和长寿命优势的基础上，可在15分钟内完成100%充电，确保电动汽车续航里程达到300公里。

这项技术的秘密是什么？新能源用户在实现电动汽车快速充电的同时，如何感受到类似于手机的“充电五分钟，通话两小时”的便利？

目前，行业中的快速充电方法有其缺点。

众所周知，对于纯电动汽车，电池系统的充放电性能是决定汽车实际使用效果的重要指标。高能量密度和快速充电能力不仅是动力电池制造商不断努力发展的技术方向，也是新能源技术的核心领域。

"锂离子电池又称摇椅电池."宁德时代新能源科技有限公司(以下简称宁德时代)科研项目负责人程晓燕告诉《科学日报》，摇椅的两端是电池的两极，锂离子在摇椅的两端来回流动。充电期间，锂离子通过电解液从电池的正极移动到负极。石墨作为负极具有层状结构。锂离子通过层嵌入石墨中。嵌入的锂离子越多，充电容量越高。

衡量电动汽车充电效率的一个关键指标是充放电率。充放电速率可以简单地理解为充放电速率。锂离子电池的充放电比决定了我们在电池中储存一定量能量的速度，或者我们在电池中释放能量的速度。例如，当额定容量为100安培的电池以20安培放电时，其放电率为0.2C，并且使用的容量在1小时内放电，这被称为1C放电。当放电在5小时内完成时，称为0.2C放电。

业界普遍认为，电动车辆的快速充电是指充电速率大于1.6C的充电方法，即在不到30分钟的时间内从0%充电到80%的技术。

顾名思义，要缩短充电时间，必须不断提高充放电速率。快速充电技术的核心是通过化学系统和设计优化来加快锂离子在阳极和阴极之间的移动速度。然而，在开发快速充电技术时，仅仅考虑速度是不够的。

在快速充电过程中，锂离子需要快速、瞬时地嵌入负极。这对负极快速接收锂离子的能力提出了巨大挑战。对于普通化学体系的电池，快速充电时负极会出现析锂等副产物，影响电池芯的循环和稳定性。只有能够承受快速充电和大电流的负极材料才能用于实现快速充电。

程晓燕说，目前，为了实现快速充电，钛酸锂和无定形碳是工业上常用的负极活性材料。然而，钛酸锂和无定形碳在实际应用中都不可避免地存在能量密度严重不足和成本高的问题。增加导电材料量的传统设计也会影响电池单元的能量密度。“近年来，一些制造商开始探索石墨作为活性材料，但石墨作为快速充电材料面临的难题是如何从正极快速释放锂电子，然后从负极快速进入。”

程晓燕解释说，石墨更像一条公路。虽然能量密度较高，但锂电子只能依次通过。

换句话说，石墨自然不适合快速填充技术。“但是我们已经用技术突破了材料本身的瓶颈。它的杀手工具是‘快速离子环’和‘超级电子网络’。”程晓燕叹了口气。

快速离子环和超级电子网络加速充电

“我们使用石墨作为负极的主要材料，创新性地使用通道优化和‘快离子环’技术在石墨表面形成一圈高速通道，使锂离子可以快速嵌入石墨的任何位置，大大提高锂离子在石墨负极的嵌入速度。此外，改性石墨具有超快充电和高能量密度的特点，在快速充电过程中不会在负极产生副产物，从而影响电池的循环和稳定性。”程晓燕说。

此外，技术团队开发了“超级电子网”技术对正极材料进行改性，并结合正、负极板的晶体取向和过剩容量系数等设计参数，优化电解液和正、负极的动态性能，使化学体系和电池设计参数达到最佳匹配。

“一般来说，‘快离子环’和‘超电子网络’分别作用于负极和正极，为大量锂离子同时流入负极建立了快速通道，提高了锂离子的扩散速率。”程晓燕说。

此外，在机械部件设计方面，团队创造性地简化了电池顶盖的设计，将电极端子设置在顶盖板的侧面，减小了端子的厚度，显著降低了内阻，有效控制了快速充电发热量，保证了快速充电的可靠性，能量密度提高了5%以上。

“我们的快速充电技术具有4C-5C快速充电能力，可在10-15分钟内实现快速充电。与钛酸锂负极快速充电系统相比，我们的快速充电技术在能量密度和成本上具有明显的优势。与业内其他使用石墨作为负极的快速充电技术相比，我们的快速充电技术在保持电池能量密度不变的情况下，充电速度可提高20%-30%，并且具有更好的循环性和耐候性。”程晓燕说。

它已成功应用于5000多辆公交车

目前，宁德时代开发的以快速充电石墨为负极主要材料的超级锂铁快速充电电池已应用于5000多辆电动公交车上。客车运行状况良好，得到了汽车制造商和客车用户的好评。该电池还被交通部评为“新能源公交车最佳口碑电池”。

除了能量密度，电池还有很大的优势。就循环寿命而言，以应用条件较为苛刻的公交车为例，平均每天充放电次数约为2次。粗略地说，该电池满足8年的运行需求，需要5600多个周期。超级锂铁电池芯的循环寿命可达10000次，不仅能完全满足电动汽车的使用要求，还可用于电动汽车退役后的储能等梯级利用，创造更多的经济价值。

“为了确保快速充电芯的安全性和可靠性，我们还开发了一项特殊技术，在不同温度和荷电状态下识别化学系统的‘健康充电区间’，然后在这个‘健康充电区间’范围内进行快速充电，不仅可以实现快速充电，还可以防止电池因快速充电而损坏，从而实现快速充电、长周期、安全可靠。”程晓燕说。

在耐候性方面，为满足北方冬季低温充电和南方夏季高温工作条件的要求，技术团队专门开发了高效的热管理系统，确保电池处于合理的温度范围内。电池芯可在低温下快速加热，当温度达到要求时可启动快速充电模式；当温度高时，系统会冷却电池芯，真正实现“全气候”快速充电。

“我们正在开发2C-2.5C高能量密度长寿命(超过6000次循环)快速充电锂铁电池，单体能量密度超过160瓦/千克，预计将于2019年底大规模生产。该技术已同时应用于三元系客车。它已达到350公里的续航能力，并在15分钟内完成充电。”程晓燕表示，该公司还计划在未来1-2年推出一款能量密度为每千克255瓦时的三路动力电池产品，该产品可以在18分钟内完成快速充电。