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功率型锂离子电池开发及应用技术进展
2016-10-26 09:21:40
关键词:锂离子电池电池技术电池材料

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  中国化学与物理电源行业协会于 2016年10月13日-14日在杭州召开了“第二届混合动力车市场与先进电池技术发展研讨会”,会议受到了国内外电池、材料、设备和汽车领域众多企业的广泛关注, 400多位国内外嘉宾参会。自2014年4月中国化学与物理电源协会在北京组织了“第一届混合动力车市场与先进电池技术发展研讨会”以来,在国内外纯电动车和插电式混合动力车取得较快发展的同时,混合动力车辆,特别是微混车辆也在国际上得到预期的快速发展。特别是近来进一步提出了发展48V电池体系与技术的要求,使电池行业又出现了一个新的发展热点。

  “第二届混合动力车市场与先进电池技术研讨会”的举办,给大家提供了一个交流的平台,帮助大家了解国内外在混合动力汽车产业方面的发展动向、最新进展,交流适用于混合动力汽车发展的各种电池技术及其最新进展。希望通过技术交流,能对我国混合动力汽车产业的发展起动一定的借鉴和推动作用,加快我国混合动力汽车用各类电池技术的快速发展。

  在本次会议上,中信国安盟固利动力科技有限公司技术副总经理吴宁宁女士做了“功率型锂离子电池开发及应用技术进展”的专题报告,以下是根据速记整理的文字,未经本人审核,仅供参考。

  主要是两大内容,一是功率型电池开发进展以及快充议题。

  首先看一下电池的设计,实际上所有电池设计都在这样一张图上,电池应该是两个通路,一个是离子通路,一个是电子通路。离子的通路在电解液这个层级上,离子的迁移不会成为锂离子电池里面的瓶颈,离子的通路应该是在活性材料的界面和活性材料内部固向迁移,这是一个关键。而电子通路要快速地把它转移到晶流体(音译)上,然后让它输出能量,这是电子通路。如果说关注电池的功率,那么我们就特别关注这两个通路如何打通,根据打通的情况电池就有能量型、功率型、高功率型。我今天讲的功率型电池设计也是想讲离子通路和电子通路的问题。

  左边的图是石墨体系,0.337纳米,右边的图是碳材料(音译)。这是正极材料,锰酸锂是三维的锂离子通道材料,三元材料是一个二维离子通道的,磷酸铁锂是一维的。锰酸锂似乎更容易做高功率电池,但是锰酸锂材料放电特性好,嵌入离子的速度特别快,但是充电速度并不是特别好,所以需要三元材料的辅助来做一部分充电过程当中的能力输出。给锰酸锂配三元材料,什么样的三元材料合适功率电池?

  做高功率,脱锂和嵌锂非常重要,从数据排行榜来看,662和NCA的脱锂是最好的。2015年行业内出了这样一个研究报告,认为662是三元材料里面的黄金比例。做高功率电池,小粒定化还是一个方向,在20C之前我们的体系不是特别明显,但是到35C的时候小颗定化就非常明显。

  刚才讲的正极负极都是离子通路,下面简单说一下电子通路,对于石墨烯这种材料大家吵得非常热,但是石墨烯在电子里面能不能用?我们怎么去给电池构建一个快速导电的框架,让离子和电子跑得很快,这样的话我们一定是需要这样一个很好的导电网络,包括点状、面状、片状,是一个复合导电网络的思想。不同的供应商拿过来的石墨烯结构都不一样,有的有卷,有的特别开,有的六层,有的九层,我们首先很明确的一点,如果做这种大功率电池,你加了石墨烯的应用一定在大功率的时候有用,如果说做1C以内的电池,那么真的没有太大的必要。石墨烯作为高功率电池下一步导电网络来讲,它应该是一个方向,但是大家都在说石墨烯是否能够作为负极材料?我们做了一点工作,它的首次效率应该是在70%左右,石墨烯以后的复合应用也好,成为一种主材料也好,其实都是可以想像的,如果功率要求真的到了七千瓦每公斤以上,石墨烯就可以作为复合材料来应用了。

  关于快充的技术路线,花15分钟,车就可以充满了,这是一个听起来非常好的技术路线。慢充如果运行了几十万公里以后能量的剩余就成了70%,用电量基本上是在90%左右。如果快充,装的电量就比慢充少很多。对于公交来讲,原来跑三圈,现在照样跑三圈,但是对于电池来讲,一开始的电量很少,安全性很好,对锂资源也有帮助,同时对车的空间也很好。我们一直在思考这不是是主流的技术路线,到现在为止我们对这个观点还是比较正向地在思考。快充对电池有一些什么样的技术要求?首先补贴标准对快充没有定义,我们自己定义是15分钟之内的充电。毕竟还是纯电动,国内的纯电动有Ekg,功率和能量是要兼顾的。另外就是对充电功率高,充电发热量小,那么基本上是快充慢放,快充电池前提一定是内阻增长率不能太高,一定要保证客户在三五年后仍然可以15分钟充电,这个是快充里面的核心要素。关于快充电池寿命的问题,我们作2C充和4C充,再看内阻增长率和寿命衰减情况,其实2C还是要比4C快。如果说我想4C快充,那么电池设计功率肯定要高。这个实验电池是8安时,我们做55度、6C充、1C放,做了500个循环以后把电池做了拆开,发现实际正极容量和负极容量比较高,我们又把电池做了一个全电池的验证,有个很明显的问题,负极的阻抗是比较明显地增高了。

  再讲一点安全的,我们做了1C和4C的,用ARC做的实验, 4C和1C在安全这些的差异并不是特别大,下一步有可能加大电流,增加一个低温的冲击,这样的话对快充安全的验证就相对来说比较全面。

  最后讲一点快充应用情况。这个就是我们在北京的一个充电站做的快充,基本上15分钟充电,温升大概是6度。我们做了两年以后把电池拆开后发现内阻升高了5%—7。浙江金华开发了一个升弓式的充电,这个装的量就更少,几十度就够了。另外低温问题,我们在张家口冬天平均温度是零下23度,采集数据的时候是零下18,我们没有加热,就是风冷的方案做的一些保温措施,还不错。

  最后一点,快充作为一种新的技术路线,有可能在把快充作为一个方向,做了很多研究工作,那么在以后会不会成为纯电动的主流技术路线,需要从定义和补贴等方面来关注。


稿件来源: 中国化学与物理电源行业协会
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