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,當前國內大批動力電池企業通過改進材料體系和PACK輕量化等方式,實現了能量密度的大幅提升,系統能量密度達140wh/kg已經成為一種常態.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.

據了解,CATL超級鐵鋰電池5C速能型產品系統能量密度在70Wh/kg以上,3C高能型產品在115Wh/kg以上,循環壽命可達10000次.同時,CATL還開發了三元體系的快充電池,實現15分鐘內SOC從5%充電到85%,能量密度190Wh/kg,循環壽命超過2500次,下一步在保證4C快充前提現,能量密度可繼續提升至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揮,還有它的可靠性.

因此,CATL采用了"快離子環"技術修飾,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副產物,所以大大提高鋰離子在石墨層的嵌入速度,從而實現優異倍率性能、高能量密度及長循環壽命.

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快充但影響產品性能,這無疑可以大大提升了鋰離子電池在電動汽車上的應用,同時也給其它電池企業提供了借鑒和參考.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.

下面就來看本周鋰電行業都有哪些新技術和大事件吧.

1、富士通利用人工智能技術開發鋰電池技術

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技術.兩者將應用第一性原理計算(量子力學)以及人工智能AI技術,對鋰離子電池的固態電解質新材料開發做合成評估,可以在資料和數據不全的情況下,也能夠嘗試更多材料的結合,并得以實際驗證.同時有了人工智能技術的支持,將大幅度提升鋰電池材料的開發速度.

在傳統的鋰電池材料開發上,需要依賴研究人員長期積累的經驗和敏銳的直覺,在嘗試新的材料合成時,對于數據的依賴也很高.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.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時間.

所以研究小組引入人工智能AI技術,使其可以控制制第一性原理計算的運算次數,并更有指向性的對鋰離子電池固態電解質的三種含有鋰的氧酸鹽合成化合物進行了預測.結果證實,該方法能在更短的時間內,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現效率更強的高鋰離子傳導率.

點評:將精于大數據計算的量子力學和善于分析演算的AI技術結合開發鋰電池技術,相比于人工腦力計算,的確可以大大提高研發的試錯率和成功率,同時可以將所有研發數據整合起來便于分析對比,為鋰電池的研發提高了數據支撐.如果這項技術一旦成熟應用,新型鋰電池技術的開發或將加快,從而研發出能量密度更高、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化

鋰電池的鋰金屬在過充或多次循環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,并結合物理實驗與顯微鏡成像.結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壽命,與其他電池的120次循環壽命相比,該電池可以達到160穩定循環.

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,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合科研團隊在《自然》雜志上發表文章稱,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.

首先,團隊開發了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.

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

點評:相比于傳統的鋰離子電池,鋰空氣電池可以實現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(Li)和空氣中的氧氣(O2)作為電極),有望打破電動汽車續航瓶頸,而且更環保.然而,與鋰離子電池2000次以上的循環壽命相比,鋰空氣電池只有700次循環壽命,無疑是致命的短板.