快充类负极材料的研究探讨
发布时间:2016-10-29 11:40:00
关键词:电池应用国际峰会负极材料动力电池

图为贝特瑞技术总监闫慧青做会议演讲

为了帮助企业客观分析2016年动力电池行业运行情况,正确把握行业发展趋势,加大动力及储能电池的开发应用,由中国化学与物理电源行业协会和电池中国网联合主办,双登集团股份有限公司、壹能(北京)网络科技有限公司共同承办的“2016年第五届中国电池市场年会暨2016年第一届动力电池应用国际峰会、2016年第二届中国电池行业智能制造研讨会”于11月14日在北京拉开帷幕。本次年会聚集了来自政府主管部门领导、知名科研机构专家、新能源汽车动力电池产业链上中下游的企业家、投资机构代表以及媒体记者等500多人参会。

  在本次会议上,深圳市贝特瑞新能源材料股份有限公司技术总监闫慧青做了题为《快充类负极材料的研究探讨》的专题报告,以下是根据速记整理的内容,未经本人审核,仅供参考。

  闫慧青:各位领导,各位来宾,各位代表,我们行业专家们,大家下午好!我是来自深圳市贝特瑞新能源材料股份有限公司的,我今天很大家分享的题目是“快充类负极材料的研究探讨。”

  讲到快充的时候,很多人都听到过几个广告语“充电5分钟,通话2小时”,我们特斯拉是“充电40分钟,SOC 80%”,这“OPPO对阵特斯拉,谁决定快充技术的未来?”我们不说谁决定技术的未来,但是我们可以清晰的看到快充技术已经是现在大家关注的焦点之一。

  中国电动汽车增量今天很多专家都已经讲过,我们这里统计2015年的锂电达沃斯的研究和数据来看,2010年和2016年增长是很大的,我们快充的电动汽车会有上升的比例,我们预计不了这个量多大。提到快充,我们到底希望的目标是什么,这个是两年前特斯拉的一个技术老总提出来的,说我们在燃油车的时候,可能加油只需要2分钟可以搞定,我们的电动车在家里充电可能是6—8个小时,所以在2年前他也提出15分钟内要把电动车充好,我们整体的目标也是希望,作为消费者也是这样需求,充电时间一定要接近加油时间,这样我们用起来更方便,所以他提出的充电时间在15分钟以内。

  我们贝特瑞作为电池材料的一个主要开发厂商,我们能对快充做些什么呢,我们希望能提供一个有利的材料保障,这个我们内部叫“E&G的追梦工程”,我们希望通过我们的材料开发为快充型的电动车起到促进作用,所以我们开发的有正极、负极的黏结剂的导电材的,今天讲的是负极的,其他方面会后可以沟通。我们最终想实现的目标是什么呢?就是充电时间能接近我们的加油时间,最好在10分钟以内,同时能让我们的车续航里程达到500公里以上,性价比与燃油车等同,当然这个是我们的目标,我们要逐渐的接近这个目标。作为快充类的负极材料我们要解决哪些问题看看能应用呢?第一,我们要逐渐缩短它的充电时候,提升他的充电SOC。第二,我们的倍率充电提升了,我们的循环性能可能会下降,所以我们要提升倍率充电下的循环性能。第三,上午很多专家提到了安全性,就是担心负极界面会析锂,所以是作为很重要的方面研究,改善负极界面,提升安全性能。第四,也是关注的焦点,需要持续的降低成本。

  贝特瑞快充负极材料做了哪些开发呢?我们是做了四个材料的,当然四个材料里倍率性能是不一样的,充电和快充性能是不一样的,第一个,快充石墨类的快充材料。第二个是快充软碳、硬碳的材料。第三个,快充的硅系列的材料,当然硅系列的快充没有前两个性能好,第一是在2C以内的,其他更高一些。第四个,快充碳酸锂的负极材料,这个倍率更大。

  第一个,快充的石墨负极材料。石墨负极材料解决什么问题?快充的时候主要在恒流阶段快充比较大,所以我们要解决恒流阶段大功率问题,我们电化学体系里面要解决三个极化问题来改善它的快充。我们的负极材料呢?因为整体是在电池里,是处于负电类的那一端、电力低的那一端,除了考虑自身,还要考虑跟他相临近的两个,一个是电解液,一个是急流体。负极材料跟电解液接触,希望能改善他的析液性能,提升浸润,跟极流体接触,希望高电子电导,同时多点接触粘接力。同时我们石墨类材料要解决的问题,是锂离子的嵌入,需要及时补充锂离子,另外快速的及时的嵌入。我们作为负极材料要解决的就是,实现高的扩散系数,短距离、多通道,再到我们整体材料的微观结构或者是我们的一些指标来看,就要实现间距大、颗粒要小、同时结构控制好。

  我们整体快充石墨负极材料的开发思路,已经不是简单的石墨结构了,我们做的一个整体的结构构建,其实总体来讲是一个梯度碳的结构,一个是梯度碳,一个是梯度内部的结晶度,这块引用了一个内部的硬碳结构,另外就是掺杂改性、SEI膜改善等整体几个加起来开发的材料,这个材料我们开发的第一代产品是BFC—10和BFC—18,这是相关指标,同时我们也在开发极限石墨,那个没有放上来,我们还在持续的开发中。

  BFC系列的快充材料目前做的水准是10分钟的,就是6C的CC充,10分钟能冲进去82.5%的SOC,这两个都基本是在8%是2点多。而且在倍率循环,这里左边那个图6C充、1C放,我们评测800周BF—10能做到1000周,客户评价比我们循环数据好1.5倍的都有,我们没有放上来。前面是快充石墨类的,第二大类型类是快充软(硬)碳的负极材料。软(硬)碳碳的结构很利于快充,但是有很多优势,高倍率、高安全、长寿命、耐低温的特性,但是也存在一些问题,能量密度比较低、首次效率比较低,所以我们要解决的问题就是要提升能量密度、提升首效。采用的思路,进行一些表面的修饰,减少负反应,同时要进行掺杂,提高储量的容量,提高首效。

  这个是我们开发的软碳和硬碳的材料,第一个是硬碳的,容量有400,效率83%,我上午看了行业专家给的新能源软碳的目标,容量基本达标了,效率给到85%,所以要继续提升1—2个点。软碳的能量300,效率84%,我们硬碳和软碳,作为快充材料,为什么有很好的优势?就是这个平台,这里是更利于快速的嵌入,不容易析锂,所以安全性能更好一些。在10C充电的时候,左边那个图,6分钟能充93.0%,硬碳是93.0的SOC,软碳是90.7%,而且电压上升是很平缓的,不像石墨很抖,等一下有一个对比图。既然硬碳有很好的快充特性,我们结合硬碳的快充特性做了复合负极材料,跟石墨进行复合,容量可以做到350,效率91%—92%,好的特性在哪里呢?从放大的充放电曲线,左边这个可以看出来,经过复合石墨的电压平台会有一个上升,这样的话金属锂不容易析出,另外充电的SOC也有90左右,这幅图就可以比较出来,纯的石墨SOC上升的同时电压上升也是很快的,但是硬碳就相对平缓一些。

  第三类,快充硅碳的,其实硅碳跟其他几个比,它的快充没那么好,但是因为我们后期都希望缩短时间,所以我们也在持续的提升它的倍率充电性能。硅碳的快充要解决缩短距离等,有很多种,复合CNO的,增长阻抗,还有硅纳米化,利于锂和硅化合物的形成。这是我们构建硅碳材料的结构,内部有中空的、石墨的、有纳米硅的,表面是一个碳的结构,这样的结构是非常稳定的硅、石墨的复合结构,这是我们材料的一个切面,可以看出来这些是硅的、这些是石墨,表面还有一层碳,最终实现容量1300,效率86.5。我们做了一些评测,跟石墨复合,2C充电,2C比0.2C可以做到84.4,2C充、10C放,循环能达到500周。第二类硅系列材料,硅氧复合材料,碳层的包覆和碳子的掺,实现了容量1600多,效率77.3%,2C充、10C放可以做到80周的循环,在无人机也有在评测。

  第四类,快充负极材料是钛酸锂,我们都知道离子扩散系数极会比石墨高一个数量级,同时充放电体积膨胀是没有的,因为这个特性所以对快充是非常有利的。但是存在一些问题就是,能量密度低,电子电导差,所以我们开发就是要解决它存在的问题,提升能量密度、改善加工、提升功率密度,同时控制表面的纯度减少产气这样才能应用。我们开发的钛酸锂第一代、第二代,第三代还在开发中,这个是第一代和第二代的相关指标,第二代的产品就是这个球形的,也是为了提升能量密度制作的。我们对钛酸锂的倍率充电进行评测,这是一个充电图,我们看出来钛酸锂恒流充电的时候SOC充电效率是非常大的,所以很适合大倍率充电,这里10C充电的恒流比有87.5,第一代的钛酸锂,第二代的钛酸锂评测倍率充电的话,这是我们一个客户的反馈,就是在15分钟以内充电也可以SOC充到95.7%,这是CC+CV的,如果用CC的,在6分钟以内基本是可以充到85—90%的水准,就是钛酸锂非常适合大电流充电。

  以上是我们四种快充类的材料,但是对于国家我们规定的路线,到2020年、2025年实现的高能量密度快充怎么做,我们探讨是快充类负极材料要走什么样的路线,我今天用马丁路德金的,我们希望开发出一款复合性的负极材料,因为我们看了前面四种快充类的材料各有优劣势,所以想开发出一款复合形的高能量密度的负极材料,经过我们电池厂和车长的紧密合作能够做到300Wh/kg,续航里程500公里,这样一个工程,也希望我们在材料方面能给电池厂和车厂做一个贡献。


作者: 闫慧青      稿件来源: 电池中国网
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