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快充類負極材料的研究探討
2016-10-29 11:40:00
關鍵詞:電池應用國際峰會負極材料動力電池

圖為貝特瑞技術總監閆慧青做會議演講

為了幫助企業客觀分析2016年動力電池行業運行情況,正確把握行業發展趨勢,加大動力及儲能電池的開發應用,由中國化學與物理電源行業協會和電池中國網聯合主辦,雙登集團股份有限公司、壹能(北京)網絡科技有限公司共同承辦的“2016年第五屆中國電池市場年會暨2016年第一屆動力電池應用國際峰會、2016年第二屆中國電池行業智能制造研討會”于11月14日在北京拉開帷幕。本次年會聚集了來自政府主管部門領導、知名科研機構專家、新能源汽車動力電池產業鏈上中下游的企業家、投資機構代表以及媒體記者等500多人參會。

  在本次會議上,深圳市貝特瑞新能源材料股份有限公司技術總監閆慧青做了題為《快充類負極材料的研究探討》的專題報告,以下是根據速記整理的內容,未經本人審核,僅供參考。

  閆慧青:各位領導,各位來賓,各位代表,我們行業專家們,大家下午好!我是來自深圳市貝特瑞新能源材料股份有限公司的,我今天很大家分享的題目是“快充類負極材料的研究探討。”

  講到快充的時候,很多人都聽到過幾個廣告語“充電5分鐘,通話2小時”,我們特斯拉是“充電40分鐘,SOC 80%”,這“OPPO對陣特斯拉,誰決定快充技術的未來?”我們不說誰決定技術的未來,但是我們可以清晰的看到快充技術已經是現在大家關注的焦點之一。

  中國電動汽車增量今天很多專家都已經講過,我們這里統計2015年的鋰電達沃斯的研究和數據來看,2010年和2016年增長是很大的,我們快充的電動汽車會有上升的比例,我們預計不了這個量多大。提到快充,我們到底希望的目標是什么,這個是兩年前特斯拉的一個技術老總提出來的,說我們在燃油車的時候,可能加油只需要2分鐘可以搞定,我們的電動車在家里充電可能是6—8個小時,所以在2年前他也提出15分鐘內要把電動車充好,我們整體的目標也是希望,作為消費者也是這樣需求,充電時間一定要接近加油時間,這樣我們用起來更方便,所以他提出的充電時間在15分鐘以內。

  我們貝特瑞作為電池材料的一個主要開發廠商,我們能對快充做些什么呢,我們希望能提供一個有利的材料保障,這個我們內部叫“E&G的追夢工程”,我們希望通過我們的材料開發為快充型的電動車起到促進作用,所以我們開發的有正極、負極的黏結劑的導電材的,今天講的是負極的,其他方面會后可以溝通。我們最終想實現的目標是什么呢?就是充電時間能接近我們的加油時間,最好在10分鐘以內,同時能讓我們的車續航里程達到500公里以上,性價比與燃油車等同,當然這個是我們的目標,我們要逐漸的接近這個目標。作為快充類的負極材料我們要解決哪些問題看看能應用呢?第一,我們要逐漸縮短它的充電時候,提升他的充電SOC。第二,我們的倍率充電提升了,我們的循環性能可能會下降,所以我們要提升倍率充電下的循環性能。第三,上午很多專家提到了安全性,就是擔心負極界面會析鋰,所以是作為很重要的方面研究,改善負極界面,提升安全性能。第四,也是關注的焦點,需要持續的降低成本。

  貝特瑞快充負極材料做了哪些開發呢?我們是做了四個材料的,當然四個材料里倍率性能是不一樣的,充電和快充性能是不一樣的,第一個,快充石墨類的快充材料。第二個是快充軟碳、硬碳的材料。第三個,快充的硅系列的材料,當然硅系列的快充沒有前兩個性能好,第一是在2C以內的,其他更高一些。第四個,快充碳酸鋰的負極材料,這個倍率更大。

  第一個,快充的石墨負極材料。石墨負極材料解決什么問題?快充的時候主要在恒流階段快充比較大,所以我們要解決恒流階段大功率問題,我們電化學體系里面要解決三個極化問題來改善它的快充。我們的負極材料呢?因為整體是在電池里,是處于負電類的那一端、電力低的那一端,除了考慮自身,還要考慮跟他相臨近的兩個,一個是電解液,一個是急流體。負極材料跟電解液接觸,希望能改善他的析液性能,提升浸潤,跟極流體接觸,希望高電子電導,同時多點接觸粘接力。同時我們石墨類材料要解決的問題,是鋰離子的嵌入,需要及時補充鋰離子,另外快速的及時的嵌入。我們作為負極材料要解決的就是,實現高的擴散系數,短距離、多通道,再到我們整體材料的微觀結構或者是我們的一些指標來看,就要實現間距大、顆粒要小、同時結構控制好。

  我們整體快充石墨負極材料的開發思路,已經不是簡單的石墨結構了,我們做的一個整體的結構構建,其實總體來講是一個梯度碳的結構,一個是梯度碳,一個是梯度內部的結晶度,這塊引用了一個內部的硬碳結構,另外就是摻雜改性、SEI膜改善等整體幾個加起來開發的材料,這個材料我們開發的第一代產品是BFC—10和BFC—18,這是相關指標,同時我們也在開發極限石墨,那個沒有放上來,我們還在持續的開發中。

  BFC系列的快充材料目前做的水準是10分鐘的,就是6C的CC充,10分鐘能沖進去82.5%的SOC,這兩個都基本是在8%是2點多。而且在倍率循環,這里左邊那個圖6C充、1C放,我們評測800周BF—10能做到1000周,客戶評價比我們循環數據好1.5倍的都有,我們沒有放上來。前面是快充石墨類的,第二大類型類是快充軟(硬)碳的負極材料。軟(硬)碳碳的結構很利于快充,但是有很多優勢,高倍率、高安全、長壽命、耐低溫的特性,但是也存在一些問題,能量密度比較低、首次效率比較低,所以我們要解決的問題就是要提升能量密度、提升首效。采用的思路,進行一些表面的修飾,減少負反應,同時要進行摻雜,提高儲量的容量,提高首效。

  這個是我們開發的軟碳和硬碳的材料,第一個是硬碳的,容量有400,效率83%,我上午看了行業專家給的新能源軟碳的目標,容量基本達標了,效率給到85%,所以要繼續提升1—2個點。軟碳的能量300,效率84%,我們硬碳和軟碳,作為快充材料,為什么有很好的優勢?就是這個平臺,這里是更利于快速的嵌入,不容易析鋰,所以安全性能更好一些。在10C充電的時候,左邊那個圖,6分鐘能充93.0%,硬碳是93.0的SOC,軟碳是90.7%,而且電壓上升是很平緩的,不像石墨很抖,等一下有一個對比圖。既然硬碳有很好的快充特性,我們結合硬碳的快充特性做了復合負極材料,跟石墨進行復合,容量可以做到350,效率91%—92%,好的特性在哪里呢?從放大的充放電曲線,左邊這個可以看出來,經過復合石墨的電壓平臺會有一個上升,這樣的話金屬鋰不容易析出,另外充電的SOC也有90左右,這幅圖就可以比較出來,純的石墨SOC上升的同時電壓上升也是很快的,但是硬碳就相對平緩一些。

  第三類,快充硅碳的,其實硅碳跟其他幾個比,它的快充沒那么好,但是因為我們后期都希望縮短時間,所以我們也在持續的提升它的倍率充電性能。硅碳的快充要解決縮短距離等,有很多種,復合CNO的,增長阻抗,還有硅納米化,利于鋰和硅化合物的形成。這是我們構建硅碳材料的結構,內部有中空的、石墨的、有納米硅的,表面是一個碳的結構,這樣的結構是非常穩定的硅、石墨的復合結構,這是我們材料的一個切面,可以看出來這些是硅的、這些是石墨,表面還有一層碳,最終實現容量1300,效率86.5。我們做了一些評測,跟石墨復合,2C充電,2C比0.2C可以做到84.4,2C充、10C放,循環能達到500周。第二類硅系列材料,硅氧復合材料,碳層的包覆和碳子的摻,實現了容量1600多,效率77.3%,2C充、10C放可以做到80周的循環,在無人機也有在評測。

  第四類,快充負極材料是鈦酸鋰,我們都知道離子擴散系數極會比石墨高一個數量級,同時充放電體積膨脹是沒有的,因為這個特性所以對快充是非常有利的。但是存在一些問題就是,能量密度低,電子電導差,所以我們開發就是要解決它存在的問題,提升能量密度、改善加工、提升功率密度,同時控制表面的純度減少產氣這樣才能應用。我們開發的鈦酸鋰第一代、第二代,第三代還在開發中,這個是第一代和第二代的相關指標,第二代的產品就是這個球形的,也是為了提升能量密度制作的。我們對鈦酸鋰的倍率充電進行評測,這是一個充電圖,我們看出來鈦酸鋰恒流充電的時候SOC充電效率是非常大的,所以很適合大倍率充電,這里10C充電的恒流比有87.5,第一代的鈦酸鋰,第二代的鈦酸鋰評測倍率充電的話,這是我們一個客戶的反饋,就是在15分鐘以內充電也可以SOC充到95.7%,這是CC+CV的,如果用CC的,在6分鐘以內基本是可以充到85—90%的水準,就是鈦酸鋰非常適合大電流充電。

  以上是我們四種快充類的材料,但是對于國家我們規定的路線,到2020年、2025年實現的高能量密度快充怎么做,我們探討是快充類負極材料要走什么樣的路線,我今天用馬丁路德金的,我們希望開發出一款復合性的負極材料,因為我們看了前面四種快充類的材料各有優劣勢,所以想開發出一款復合形的高能量密度的負極材料,經過我們電池廠和車長的緊密合作能夠做到300Wh/kg,續航里程500公里,這樣一個工程,也希望我們在材料方面能給電池廠和車廠做一個貢獻。


作者: 閆慧青      稿件來源: 電池中國網
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