CATL/国轩动力电池快充路径解析

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众所周知,新能源汽车销售痛点之一是充电时间长。

尤其是在补贴退坡,市场销量下行的情况下,发展电池快充技术,缩短充电时长,提升驾驶体验,对开拓新能源汽车市场至关重要。

不过电池在快充时,如果负极没有高速嵌锂能力,就会出现锂枝晶和发生析锂,进而导致电池容量不可逆衰减和缩短使用寿命。

另外电池升温快,会产生大量热,容易短路起火。还有电解液方面,需要较高导电率,并且不与正负极反应,能抗高温,阻燃,防过充。

从充电策略来看,主要分恒定电流,恒定电压,分阶段充电三种方式。

恒定电流,恒定电压充电成本低,系统电路简单,但时间过长,效率不高。如果电流或电压变大,能缩短时长,但缩短电池使用寿命。分阶段充电法,由于电池每家设计不同,根本无法统一。

从电池研发考虑,当前通用负极材料依然是石墨。不过在充电过程中,负极石墨对电解液较敏感,具有很强的方向性,嵌锂特性不高。

如果负极石墨改为硅碳,一位软包电池企业的研发负责人向高工锂电介绍,目前特斯拉快充的电池是石墨复配5%氧化硅。

国内的话,电池负极硅含量还没有超过5%。原因是负极硅碳充电时,材料膨胀性大,电池衰减严重,难以大批量商业化应用。要想大批量,硅含量至少要达到10%-20%才行。

此外该高层还表示,电池充电速度取决于正负电极基体的传质速度。充电端用高压高功率,设计充电策略只是外部优化。根本上解决充电慢,必须要对电池正负极材料体系变革才行。

同时,一位主机厂的高级技术工程师表示,关于三元、磷酸铁锂、锰酸锂、钛酸锂等电池材料快充方式大致相似,均是先恒流(大电流)快速充电,再恒压(降低电流)慢充,直到最终充满。

在快充难点上,他认为主要集中在充电时如何控制温升副反应、负极析锂、容量衰减、以及适合电池SOC等参数的充电策略。

据高工锂电了解,在电池快充方面,国内电池企业有宁德时代、比亚迪、合肥国轩、微宏动力、万向一二三等很多企业参与研发。

其中专注电池本身性能提升的典型代表是宁德时代,做电池充电优化策略的代表是合肥国轩。

宁德时代:超级电池快充

宁德时代在快充方面,主要是针对电池材料体系研究。通过突破电池电化学体系固有瓶颈,研发出兼顾安全、高能量密度的超级快充技术。

从原理上看,充电时,如图1所示,电池正极的锂离子经过电解液运动到负极。作为负极的石墨呈层状结构,它有很多微孔,以供到达负极的锂离子嵌入。嵌入的锂离子越多,充电容量越高。

图1 电池充电示意图

快速充电时,锂离子要加速瞬时嵌入到负极。这就需要负极能快速接收锂离子。普通材料体系的电池在快充时负极会出现副产物,例如锂枝晶,进而缩减电芯的循环寿命和稳定性。

图2 宁德时代快充技术

如图2所示为宁德时代的快充技术,15分钟可将电池荷电状态(SOC)从8%增加到80%。其创新依然是快离子环和“超电子网”。

快离子环是在负极石墨表面打造一圈高速通道,让锂离子能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。并且要保证快充时,能兼顾高能量密度特性,不会在负极出现副产物,影响电芯循环寿命和稳定性。

“超电子网”用来修饰正极材料。具体是结合锂电池正负极极片的晶体取向系数等设计调配,起到优化电解液、正负极的动力学性能,使化学体系和电池设计参数达到最优匹配。

当然,为了确保快充电芯的安全可靠性,宁德时代的技术能算出在不同温度和SOC状态下的“健康充电区间”。

随后将充电电流保持在“健康充电区间”范围,即可以实现快速充电,又可以不让电池受到快充的损害,做到快充、长循环和安全可靠性兼顾。

合肥国轩:充电策略优化

合肥国轩针对电池快速充电,发明专利是一种锂离子充电策略优化方法,如图3所示,主要分三阶段实施。

第一阶段,将多个电池分别以不同充电倍率充电,以相同放电倍率放电。循环多次,根据电池容量最终保持率和电池负极有无析锂,确定析锂充电倍率C2。

第二阶段,以析锂充电倍率C2充电至不同SOC状态,再以相同析锂放电倍率放电。循环多次。根据最终电池负极有无析锂,确定析锂充电倍率C2下不析锂的SOC1。

第三阶段,以低于析锂充电倍率C2的方式充电至90%SOC,再以0.2C充电至95%SOC,随后以0.1C充满。最后循环多次放电,根据电池负极有无析锂确定高电压下不析锂充电倍率C3.

合肥国轩的该项专利通过测定电池充电允许的最大持续倍率及对应的截止SOC,进而确定最佳充电策略。

该方法好处是保证电池循环性能,减少实际充电时间,也可用于不同厂商电池充电性能对标,有利于提升电池设计与制作水平。

图3 充电优化流程图

参考文献:

[1] 合肥国轩高科动力能源有限公司 一种锂离子电池充电策略的优化方法 [P]:中国 2019-3-29

[2] 解析宁德时代四大动力电池核心技术 [OL]:高工锂电 2019-9-12

来源:高工锂电网

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