钜大LARGE | 点击量：570次 | 2023年02月07日
怎样提升动力锂电池的能量密度和快充性能？
提升动力电池的能量密度和快充性能,被认为是当前解除消费者续航里程焦虑问题的可行路径.
在补贴金额与能量密度挂钩的倒逼之下,当前国内大批动力电池企业通过改进材料体系和PACK轻量化等方式,实现了能量密度的大幅提升,系统能量密度达140wh/kg已经成为一种常态.但是在动力电池的快充性能方面却迟迟没有取得较大的突破.
日前,电动汽车大功率充电试点专题研讨会在宁德成功召开.会议期间,CATL向参会代表展示了采用"超级铁锂+高能量密度快充石墨"体系的EnerSpeedy超级铁锂电池的充电过程.该产品是60Ah的超级铁锂电池,可进行5C充电,演示过程用时7分12秒,就完成了20%至80%的充电,而20%到100%充电,仅耗时13分8秒.
据了解,CATL超级铁锂电池5C速能型产品系统能量密度在70Wh/kg以上,3C高能型产品在115Wh/kg以上,循环寿命可达10000次.同时,CATL还开发了三元体系的快充电池,实现15分钟内SOC从5%充电到85%,能量密度190Wh/kg,循环寿命超过2500次,下一步在保证4C快充前提现,能量密度可继续提升至210Wh/kg.
CATL快充项目负责人王博士解释,快充的重点在负极,而对于正极的选择,无论是选三元还是选择磷酸铁锂,都不会影响快充的性能发挥,还有它的可靠性.
符合Exic IIB T4 Gc防爆标准
充电温度：0~45℃
-放电温度：-40~+55℃
-40℃最大放电倍率：1C
-40℃ 0.5放电容量保持率≥70%
因此,CATL采用了"快离子环"技术修饰,修饰后的石墨兼顾超级快充和高能量密度的特性,快充时负极不再出现副产物,所以大大提高锂离子在石墨层的嵌入速度,从而实现优异倍率性能、高能量密度及长循环寿命.
从CATL取得的成绩来看,磷酸铁锂电池和三元电池都可以实现快充但影响产品性能,这无疑可以大大提升了锂离子电池在电动汽车上的应用,同时也给其它电池企业提供了借鉴和参考.在当前进入推荐目录的新能源车型中,快充类车型的快充倍率基本上都在5C以下,表明国产动力电池的快充性能还有待提升,一旦能够取得突破,相信中国的新能源汽车市场将会迎来真正的爆发.
下面就来看本周锂电行业都有哪些新技术和大事件吧.
1、富士通利用人工智能技术开发锂电池技术
外媒报道,富士通株式会社和日本理化学研究所公布了最新的锂电池研发技术.两者将应用第一性原理计算(量子力学)以及人工智能AI技术,对锂离子电池的固态电解质新材料开发做合成评估,可以在资料和数据不全的情况下,也能够尝试更多材料的结合,并得以实际验证.同时有了人工智能技术的支持,将大幅度提升锂电池材料的开发速度.
在传统的锂电池材料开发上,需要依赖研究人员长期积累的经验和敏锐的直觉,在尝试新的材料合成时,对于数据的依赖也很高.而第一性原理计算将基于量子力学可以预测的特征(波函数特性),在实验之前就可以感知新材料的最佳组合模式,从而大幅减少实验失败次数.但同时第一性原理计算的负荷巨大,材料各种组成需要多重计算,将会耗费很长的研发时间.
所以研究小组引入人工智能AI技术,使其可以控制制第一性原理计算的运算次数,并更有指向性的对锂离子电池固态电解质的三种含有锂的氧酸盐合成化合物进行了预测.结果证实,该方法能在更短的时间内,预测高锂离子传导率的最佳材料组合.同时还能够在预测过程中发现效率更强的高锂离子传导率.
点评:将精于大数据计算的量子力学和善于分析演算的AI技术结合开发锂电池技术,相比于人工脑力计算,的确可以大大提高研发的试错率和成功率,同时可以将所有研发数据整合起来便于分析对比,为锂电池的研发提高了数据支撑.如果这项技术一旦成熟应用,新型锂电池技术的开发或将加快,从而研发出能量密度更高、寿命更长、更安全的新一代锂电池.
2、氧化石墨烯加速有机锂电池商业化
锂电池的锂金属在过充或多次循环使用后容易生成枝晶,进而刺穿隔离层导致自爆.
因此伊利诺伊大学芝加哥分校(UIC)与德克萨斯州A&M大学(TAMU)组成团队,盼能加速找出解决办法,并希望能透过超级电脑来了解枝晶形成过程中化学与物理原理.TAMU化学工程教授PerlaBalbuena表示,团队目的是开发可保护锂金属的涂料,并可借由涂料减缓锂沉积.
该团队研发一种可喷在电池玻璃纤维分离层的氧化石墨烯(grapheneoxide)纳米层片,这些材料能让锂离子顺利流动,同时也可减缓并控制离子与电子结合变成中性原子的速度.该涂料让原子沉积不会像针一样不平均,而是在底部形成平坦表面.
研究员利用电脑模型与模拟,并结合物理实验与显微镜成像.结果显示锂离子会在氧化石墨烯层上形成薄膜,再透过材料间隙沉积到氧化石墨烯层底下,材料间隙作用类似于怀旧弹珠台的轨道,可放慢沉积速度与引导方向.
氧化石墨烯也可增加电池循环寿命,与其他电池的120次循环寿命相比,该电池可以达到160稳定循环.
该氧化石墨烯可借由便宜实惠的喷涂来达成,但由于涂料很薄,要确定位置是个挑战,Balbuena表示,实验中也无法从微观层面上确定涂层在哪,该涂料非常薄,所以不太需要精确定位其位置.
点评:无所不能的石墨烯又来了,按照该团队的研究,在锂电池用加入氧化石墨烯不但有望解决锂枝晶问题,还能增加电池的循环寿命和安全性,简直是"万金油".但与此前所有石墨烯电池新闻一样,这项技术的实际作用还停留在研究阶段.
3、锂空气电池研究获新突破
近日,一支来自美国伊利诺伊大学芝加哥分校(UIC)、阿贡国家实验室和加州州立大学北岭分校的联合科研团队在《自然》杂志上发表文章称,采用了两种策略来限制在含有代表性量的O2,N2,CO2和H2O的模拟空气氛围中的锂-氧电池中的副反应.
首先,团队开发了Li2CO3/C涂层锂阳极仅允许锂阳离子通过,从而保护阳极免受模拟空气的成分影响.其次,基于先前报道的二硫化钼纳米薄片构建阴极,并使用离子液体1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐(EMIM-BF4)和二甲基亚砜(DMSO)的混合物作为电解质.
该系统的组件一起运行,以防止在CO2和H2O存在下形成副产物.在模拟空气环境中作为锂空气电池工作,循环寿命长达700次.
点评:相比于传统的锂离子电池,锂空气电池可以实现比锂离子电池高得多的能量密度,原料也非常充足(锂金属单质(Li)和空气中的氧气(O2)作为电极),有望打破电动汽车续航瓶颈,而且更环保.然而,与锂离子电池2000次以上的循环寿命相比,锂空气电池只有700次循环寿命,无疑是致命的短板.
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