磷酸铁锂快充方案超过三元锂?让CATL告诉你答案

杜俊仪

新能源汽车如果想真正实现与传统汽油车体验接近,缩短充电时间、提高续航里程和充电的便利性是不可回避的话题。宁德时代新能源科技股份有限公司(CATL)快充项目负责人王升威博士表示,CATL研发的“超电子网”和“快离子环”技术双剑合璧,开发出来磷酸铁锂快充电芯成组后拥有4C的高倍率快充,15分钟内可完成纯电动客车100%充电。

9月27日,在第一电动网主题为“充电五分钟,行驶两小时的时代即将到来?”的第八期公开课上,王升威发表演讲解析快充型锂离子电池的原理、特点,并介绍了CATL的维护方案和快充型锂离子电池进展。

宁德时代新能源科技股份有限公司(CATL)快充项目负责人王升威博士

宁德时代新能源科技股份有限公司(CATL)快充项目负责人王升威博士

从原理上讲,电池快充的瓶颈在负极,普通化学体系在快充时在负极会出现副产物,影响电芯的循环和稳定性。一旦锂离子被阻塞在负极是非常危险的,但只要锂离子进入石墨内部,基本上就不会有问题。因此,CATL开发了“快离子环”技术,在石墨表面与内部打造高速公路网,使锂离子能快速嵌入石墨的任何位置。

“既可以实现锂离子密度的,又可以快充,这像修环城高速来缓解交通拥堵,‘快离子环’石墨就是这个机理,我们在手机上已经有数亿的出货量了,可靠性已经得到了验证。”王升威如是介绍。

磷酸铁锂适不适合快充?

业内有人认为磷酸铁锂不适合快充,在王升威看来,这个问题存在两面性。从材料上看,磷酸铁锂材料的本征电导率比较低,仅为三元材料的百分之一,需要对磷酸铁锂材料进行导电性优化才能满足快充的需求。

王升威表示,经过CATL的改造,磷酸铁锂已经不是“原来那个磷酸铁锂”,甚至比三元材料更好。在正极上,CATL开发了“超电子网”技术,使得磷酸铁锂具有优异的电子导电性能,可达三元材料的1000倍。

他指出,目前的磷酸铁锂快充电池的循环性能比不快充的要好,从原理上讲,循环性能跟充电是不存在矛盾的。那为什么传统电池一用快充循环就不好?那是因为传统电池并不是按快充设计的,快充的时候就会有副产物或者副反应,副反应多了以后,循环自然变差。一旦解决了快充的动力学问题,它的循环最起码不会变差。与此同时,快充电池不但动力学高了,而且由于能量密度比非快充的低一点,能量密度低了,电解液多了,循环变得更好就不足为怪了。实际上,他们目前开发的磷酸铁锂快充电池可以达到10000循环。

保障“健康充电区间内”的快充

“CATL经过多年研究,我们认为健康的充电区间是与充电的不可逆反应速度有关的,这个对于固定化学体系来说,它会受温度和电压的影响,不可逆反应的速度决定了电池在循环过程中的容量衰减和阻抗增加的速度,所以我们研究的重点在于怎么识别不可逆反应的速度,在这个“健康充电区间”范围内进行快充,就可以既实现快速充电,又可以不让电池受到快充的损害,做到快充和长循环兼顾。”

在低温情况下,CATL提出了两种电池保护,一是分温度区间充电,低温下慢充,在电池的“健康充电区间”内充电,更好地保护电池。二是利用水热系统,低温下为电芯加热,待电芯温度达到要求,即可开启快充模式,做到低温下“健康的”快充。

同样,电池也需要避免高温的影响,因为它本身存在氧化还原反应,温度越高反应越剧烈。对此,CATL的解决方案是采用3.65V的低电压体系,正极氧化性弱,副反应少而且速度慢。另外还有水冷控制温度,避免高温情况出现。

高能量密度电池快充领先国际

在“更长的续航里程”方面,CATL的技术规划是2020年之前电池能量密度要做到300瓦时每公斤,2025年以后,有进一步提高能量密度的规划。在“更短的充电时间”方面,CATL已经在开发能量密度190Wh/kg15分钟满充的快充电池,该电池预计在2018年具有批量生产能力,其主要应用领域为乘用车。

“对于小车高能量密度快充电池方面,我们有技术储备优势,国内电池企业有机会领先于日韩。”王升威表示,“单从充电速度这一方面,普通小车用的充电基本上都是1C以下的,充到80%接近50分钟。我们的产品12分钟就可以充80%,充电速度有一个鲜明的对比。 即使对快充的重度用户出租车来讲,每天满充两次,一年要充700次,按照出租车4年左右的使用周期,2800次充电应该是够了。我们这一款高能量快冲电池的循环预计在3000次以上,应该能满足乘用车应用的需求。”

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