解析磷酸鐵鋰電池快充方案超過三元鋰？
來源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-03-29 10:04
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新能源汽車如果想真正實(shí)現(xiàn)與傳統(tǒng)汽油車體驗(yàn)接近，縮短充電時(shí)間、提高續(xù)航里程和充電的便利性是不可回避的話題。寧德時(shí)代新能源科技股份有限公司(CATL)快充項(xiàng)目負(fù)責(zé)人王升威博士表示，CATL研發(fā)的“超導(dǎo)電子網(wǎng)”和“快離子環(huán)”技術(shù)雙劍合璧，開發(fā)出來磷酸鐵鋰快充電芯成組后擁有4C的高倍率快充，15分鐘內(nèi)可完成純電動(dòng)客車100%充電。
近日，王升威發(fā)表演講解析快充型鋰離子電池的原理、特點(diǎn)，并介紹了CATL的維護(hù)方案和快充型鋰離子電池進(jìn)展。
從原理上講，電池快充的瓶頸在負(fù)極，普通化學(xué)體系在快充時(shí)在負(fù)極會(huì)出現(xiàn)副產(chǎn)物，影響電芯的循環(huán)和穩(wěn)定性。一旦鋰離子被阻塞在負(fù)極是非常危險(xiǎn)的，但只要鋰離子進(jìn)入石墨內(nèi)部，基本上就不會(huì)有問題。因此，CATL開發(fā)了“快離子環(huán)”技術(shù)，在石墨表面與內(nèi)部打造高速公路網(wǎng)，使鋰離子能快速嵌入石墨的任何位置。
“既可以實(shí)現(xiàn)鋰離子密度的，又可以快充，這像修環(huán)城高速來緩解交通擁堵，‘快離子環(huán)’石墨就是這個(gè)機(jī)理，我們在手機(jī)上已經(jīng)有數(shù)億的出貨量了，可靠性已經(jīng)得到了驗(yàn)證。”王升威如是介紹。
磷酸鐵鋰適不適合快充？
業(yè)內(nèi)有人認(rèn)為磷酸鐵鋰不適合快充，在王升威看來，這個(gè)問題存在兩面性。從材料上看，磷酸鐵鋰材料的本征電導(dǎo)率比較低，僅為三元材料的百分之一，需要對磷酸鐵鋰材料進(jìn)行導(dǎo)電性優(yōu)化才能滿足快充的需求。
王升威表示，經(jīng)過CATL的改造，磷酸鐵鋰已經(jīng)不是“原來那個(gè)磷酸鐵鋰”，甚至比三元材料更好。在正極上，CATL開發(fā)了“超導(dǎo)電子網(wǎng)”技術(shù)，使得磷酸鐵鋰具有優(yōu)異的電子導(dǎo)電性能，可達(dá)三元材料的1000倍。
他指出，目前的磷酸鐵鋰快充電池的循環(huán)性能比不快充的要好，從原理上講，循環(huán)性能跟充電是不存在矛盾的。那為什么傳統(tǒng)電池一用快充循環(huán)就不好？那是因?yàn)閭鹘y(tǒng)電池并不是按快充設(shè)計(jì)的，快充的時(shí)候就會(huì)有副產(chǎn)物或者副反應(yīng)，副反應(yīng)多了以后，循環(huán)自然變差。一旦解決了快充的動(dòng)力學(xué)問題，它的循環(huán)最起碼不會(huì)變差。與此同時(shí)，快充電池不但動(dòng)力學(xué)高了，而且由于能量密度比非快充的低一點(diǎn)，能量密度低了，電解液多了，循環(huán)變得更好就不足為怪了。實(shí)際上，他們目前開發(fā)的磷酸鐵鋰快充電池可以達(dá)到10000循環(huán)。
“CATL經(jīng)過多年研究，我們認(rèn)為健康的充電區(qū)間是與充電的不可逆反應(yīng)速度有關(guān)的，這個(gè)對于固定化學(xué)體系來說，它會(huì)受溫度和電壓的影響，不可逆反應(yīng)的速度決定了電池在循環(huán)過程中的容量衰減和阻抗增加的速度，所以我們研究的重點(diǎn)在于怎么識(shí)別不可逆反應(yīng)的速度，在這個(gè)”健康充電區(qū)間“范圍內(nèi)進(jìn)行快充，就可以既實(shí)現(xiàn)快速充電，又可以不讓電池受到快充的損害，做到快充和長循環(huán)兼顧。”
在低溫情況下，CATL提出了兩種電池保護(hù)，一是分溫度區(qū)間充電，低溫下慢充，在電池的“健康充電區(qū)間”內(nèi)充電，更好地保護(hù)電池。二是利用水熱系統(tǒng)，低溫下為電芯加熱，待電芯溫度達(dá)到要求，即可開啟快充模式，做到低溫下“健康的”快充。
同樣，電池也需要避免高溫的影響，因?yàn)樗旧泶嬖谘趸€原反應(yīng)，溫度越高反應(yīng)越劇烈。對此，CATL的解決方案是采用3.65V的低電壓體系，正極氧化性弱，副反應(yīng)少而且速度慢。另外還有水冷控制溫度，避免高溫情況出現(xiàn)。
高能量密度電池快充領(lǐng)先國際
在“更長的續(xù)航里程”方面，CATL的技術(shù)規(guī)劃是2020年之前電池能量密度要做到300瓦時(shí)每公斤，2025年以后，有進(jìn)一步提高能量密度的規(guī)劃。在“更短的充電時(shí)間”方面，CATL已經(jīng)在開發(fā)能量密度190Wh/kg15分鐘滿充的快充電池，該電池預(yù)計(jì)在2018年具有批量生產(chǎn)能力，其主要應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)槌擞密嚒?/div>
“對于小車高能量密度快充電池方面，我們有技術(shù)儲(chǔ)備優(yōu)勢，國內(nèi)電池企業(yè)有機(jī)會(huì)領(lǐng)先于日韓。”王升威表示，“單從充電速度這一方面，普通小車用的充電基本上都是1C以下的，充到80%接近50分鐘。我們的產(chǎn)品12分鐘就可以充80%，充電速度有一個(gè)鮮明的對比。 即使對快充的重度用戶出租車來講，每天滿充兩次，一年要充700次，按照出租車4年左右的使用周期，2800次充電應(yīng)該是夠了。我們這一款高能量快沖電池的循環(huán)預(yù)計(jì)在3000次以上，應(yīng)該能滿足中國的新能源汽車市場可說發(fā)展的越來越快，之所以發(fā)展快速，很大部分原因離不開國家對新能源汽車的補(bǔ)貼政策，在政府的大力支持下，新能源汽車快速前進(jìn)，車企對“續(xù)航里程”的追求也越來越高，新能源汽車的核心部件“電池”也是“優(yōu)勝劣汰”，三元鋰電池逐漸被新能源汽車廣泛應(yīng)用。
但是隨著2018年補(bǔ)貼政策大幅度下調(diào)，以前常被應(yīng)用的磷酸鐵鋰電池能否重新取代三元鋰電池，成為新能源汽車的“寵兒”呢？筆者認(rèn)為可能性較小，但是至少在大型客車和公共交通方面，磷酸鐵鋰電池依然會(huì)被廣泛應(yīng)用。
在目前市場上，大多數(shù)新能源汽車主要使用的是三元鋰電池，磷酸鐵鋰電池，錳酸鋰電池。那么相比之下，磷酸鐵鋰電池有什么優(yōu)勢能夠支持它逆襲呢？
三元鋰電池
三元鋰電池的優(yōu)勢是能量密度高，循環(huán)性能好，續(xù)航里程大，比較適合未來新能源汽車電池的發(fā)展趨勢，而且適合北方天氣，低溫環(huán)境下電池更加穩(wěn)定。不過它最大的劣勢就是三元鋰材料不穩(wěn)定，容易在200度左右發(fā)生分解，并且在高溫環(huán)境下電解液會(huì)迅速燃燒，發(fā)生連鎖反應(yīng)，這也是為什么現(xiàn)在有些新能源汽車發(fā)生碰撞后容易自然的原因。
但是對于很多消費(fèi)者來說，現(xiàn)在新能源汽車的續(xù)航里程仍然是它們所擔(dān)心的一個(gè)問題，所以不管有沒有補(bǔ)貼，消費(fèi)者都是希望電動(dòng)汽車的續(xù)航里程能夠更長，反之，汽車廠商不管有沒有補(bǔ)貼肯定也希望自己的電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程能夠越大越好，畢竟這樣消費(fèi)者才會(huì)買單，所以這時(shí)候三元鋰電池的優(yōu)勢就很重要了，這也是為什么很多廠商愿意選擇三元鋰電池的原因。
磷酸鐵鋰電池
磷酸鐵鋰電池的最大優(yōu)勢就是安全穩(wěn)定性。它是目前最安全的鋰離子電池正極材料，而且循環(huán)使用壽命可達(dá)2000次以上，比三元鋰電池壽命更長。但是它的劣勢就是能量密度低，而且耐低溫性能較差，在低溫環(huán)境下工作不僅壽命低，放電效率也低。此外體積大，較重，會(huì)占用車內(nèi)大量空間。所以這種安全性較高但是能量密度較低的電池一般應(yīng)用于公共交通方面。不過對于家用車來說現(xiàn)在一般較少采用。
錳酸鋰電池
錳酸鋰電池是前兩年比較主流的動(dòng)力電池，但是隨著對續(xù)航里程的追求，現(xiàn)在也漸漸被三元鋰電池所超越。錳酸鋰電池在這三種電池中價(jià)格最便宜，工作電壓高，倍率性能好，低溫工作性能好，缺點(diǎn)是能量密度較低，使用壽命一般，尤其是高溫循環(huán)性能差，而安全穩(wěn)定性則是三者中的中等水平。
就目前新能源市場上主要使用的三種電池比較來看，就憑續(xù)航里程這一點(diǎn)，三元鋰電池就牢牢占據(jù)榜首。而且就算是在現(xiàn)階段補(bǔ)貼下降的情況下，三元鋰電池在能量密度上也占據(jù)很大優(yōu)勢。不過從安全性上來看，磷酸鐵鋰電池在今后還是有很大發(fā)展空間的，不過前提還是在解決了里程問題之后，畢竟目前消費(fèi)者對于電動(dòng)汽車的續(xù)航里程追求更大，所以磷酸鐵鋰電池想借補(bǔ)貼退坡逆襲可能性較小。乘用車應(yīng)用的需求。”
