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动力电池快充“加速度”

作者:中国储能网新闻中心 来源:高工锂电 发布时间:2021-05-05 浏览:次
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2020年以来,国内外主力电动乘用车续航普遍突破600公里,消费者续航焦虑逐步化解,但随之而来的是,需求侧对充电便捷性的考量,能否像传统车加油一样实现快速充电,成为用户端关注的新“痛点”。

电池快充技术就是目前解决充电便捷性的关键突破口,也是车企和动力电池企业角逐的主战场。近期车端、电池端、配套端一系列紧锣密鼓的快充布局不难看出,围绕电动汽车快充的市场争夺战号角已经吹响。

车端来看,上海车展可见端倪,快充技术正成为国内外中高端纯电车型标配。

国际品牌领域,起亚EV6全系车型支持400V和800V充电,电量从30%到80%仅14分钟;现代IONIQ 5最新800V高电压平台支持高达350kW的超大功率充电。

宝马BMW iX xDrive50、奥迪A6e-tronConcept、奔驰EQS、福特Mustang Mach-E、大众ID.4 X、沃尔沃旗下极星Polestar 2等外资中高端新车均支持快充。

自主品牌奋起直追。北汽旗下极狐全新车型阿尔法S宣布搭载华为快充技术,充电10分钟续航197公里,充电15分钟电量可从30%充至80%;吉利旗下全新品牌车型极氪001支持最高360KW超级快充;东风旗下岚图汽车宣布研发基于超高压平台的超级快充技术等。

上汽集团旗下的新品牌IM智己直接迈入下一步,开启预售的IM智己 L7支持无线快充技术,预计2022年上半年交付。

此外,小鹏P7、蔚来ET7、高合HiPhi X等新势力全新车型也都标配快充。

车企纷纷认可快充并将其纳入车型标配的背后逻辑在于,电动汽车快充在电池端、供应链环节均有了不错进展,能够提供技术支撑及产品落地的可能。

电池端来看,越来越多的动力电池企业推出快充电池技术及产品。

蜂巢近期首次对外发布全新快充技术和对应的电芯,其中第二代4C快充电芯容量165Ah,能量密度大于260Wh/kg,20-80% SOC快充时间10分钟,量产预计在2023年Q2。

领湃技术团队通过特殊设计的离子快穿通道设计,实现动力电池4C充电,15分钟充电5%-85%SoC。未来规划动力电池6C充电、充电时间小于10分钟。

其实“老大哥”宁德时代也早已入局。其新快充技术能充分发挥自主研发的快充型电芯的快充性能,电芯充电速度提升一倍,可实现15分钟充满 80%SOC。目前其超快充技术已经涵盖超电子网、快离子环、各向同性石墨、超导电解液、高孔隙隔膜、多梯度极片等。

宁德时代董事长曾毓群曾公开表示,宁德时代下一步的目标,是要将快充时间继续缩短至9分钟。

除动力电池企业外,部分车企快充电池布局更进一步,将触角直接伸向了快充电池的研发。

如广汽推出石墨烯超级技术,规划推出6C-500km、3C-500km两个版本的快充电池,今年9月将首次搭载在广汽埃安AION V上;保时捷亦披露正在研发硅负极取代传统石墨负极的高性能电池,以获得更高能量密度和快充性能。

在供应链配套环节,华为近期推出业内首个AI闪充动力域全栈高压解决方案,基于800V左右平台架构,包含了高压车载充电系统、高压异步电驱动系统、高压同步电驱动系统、高压电池管理系统、直流快充模块、三电云及高压热管理系统。

搭载该技术的极狐阿尔法S(HI版)可以实现15分钟充电电量从30%充至80%。预计到2025年,华为将推出1000V电压,600kW功率的高压快充方案,5分钟即可实现SOC30%-80%的充电,满足用户“加油一般的充电体验”。

总体来看,电动汽车快充需要产业链多环节的共同配合,如车端需要车载高压系统提供高功率输出,以及电池包、电驱动、PTC、空调等产业链配套,充电桩环节及电网则提供持续的高功率输出等等。

快充动力电池“在路上”

中国科学院院士、清华大学教授欧阳明高院士此前曾公开表示,解决充电焦虑,需要更大功率快充,而采用超级快充是必然趋势,电动汽车需要推进超800V的电压平台。欧阳明高的判断是,从全产业链角度分析,主要高压零部件在2021年年底基本实现量产。

在动力电池环节,电池快充能力取决于电芯析锂和热管理。快充过程中,若负极没有高速嵌锂能力,则会出现析锂甚至锂枝晶,进而导致电池容量不可逆衰减和缩短使用寿命。此外,电池升温快会产生大量热,容易短路起火,同时电解液也需要较高导电率,并且不与正负极反应,能抗高温、阻燃、防过充。

基于此,各电池企业在快充技术研发上各显身手。目前快充电池研发核心在材料领域,且集中为正极、负极及电解液三大维度,尤其需要提升负极锂离子电荷交换速度和锂离子嵌入速率。同时在极片制备、结构件过流仿真测试、快充策略制定等进行多项优化创新。

宁德时代的策略是负极导入各向同性技术,使锂离子可360度嵌入石墨通道,显著提升充电速度,同时修饰多孔包覆层的阳极材料表面,提供丰富的锂离子交换所需要的活性位点,极大地提高锂离子电荷交换速度和锂离子的嵌入速率。

正极领域采用超电子网充分纳米化的材料表面,搭建了四通八达的电子网络,使得正极材料对充电信号的响应速度,和锂离子脱出速率得到大幅度提升。

此外,宁德时代还引入拥有超强运输能力的超导电解液,提升锂离子在液相和界面的传输速度,通过调控极片多孔结构的梯度分布,实现上层高孔隙率结构,下层高压实密度结构等等。

蜂巢能源在正极环节采用了前驱体定向生长精准控制技术、多梯度立体掺杂技术、柔性包覆技术三大技术,如体相掺杂及表面掺杂多元素协同作用,稳定高镍材料晶格结构,同时降低界面氧化性,循环提升20%,产气降低30%以上。

负极领域,其研发原料种类及选择技术、原料破碎整形技术、表面改性技术及造粒技术等多项技术。其中,表面改性技术采用液相包覆技术石墨表面包覆无定形碳,降低阻抗,提升锂离子的通道,使其阻抗降低20%,而造粒技术能够精确控制粒径间的形貌、取向等造粒技术,满电膨胀降低膨胀3-5%。

与此同时,蜂巢采用含硫添加剂/锂盐添加剂等低阻抗添加剂体系的电解液,降低正负极界面成膜阻抗,并积极在极片制备、结构件过流仿真测试、快充策略制定等进行了多项优化创新。

领湃新能源的快充解决方案涵盖堡垒型正极材料、自创六元助推添加剂、负极围观打磨技术及独家智能充电解决方案。

其坚固的堡垒型结构有效抑制结构坍塌,同时为锂离子提供高效进出通道;六种添加剂协同,最大化减少阻抗,改善交界处的SEI膜,实现电池快捷充放电;改善碳基网络原有结构,利于离子着陆的同时脱锂嵌锂更为有序且高效;根据电池实时电量与温度情况,智能化调控充电倍率,保障安全快速充电。

车企凭借其对车端的优势,切入快充动力电池的研发与电池企业略有不同。

广汽研发的快充电池通过使用新型导电剂,搭建高效的三维导电网络,提高电芯导电能力;采用涂覆陶瓷隔膜和新型高功率电解液,提高电池的倍率性能和热稳定性,使得电芯可进行高倍率持续充电。

此外,广汽采用高电压平台,保证快速充电和高续航里程;考虑到大电流快充引起的电芯发热量较大的问题,广汽将电芯内阻降低50%,6C电芯容量30Ah;采用新型双层液冷设计,常温6C快充循环可达100万公里。

快充技术趋势确定,但业内一致的判断是,要实现动力电池能量密度、安全、使用寿命及充电速度间关系的最终平衡,电池企业还有一段很长的路要走。目前仅宁德时代一家企业实现产品落地。

而互联网技术大牛华为的入场,无疑将加速该市场的产业化落地。

与此同时,政策为超快充的普及扫清了最后的障碍。充电标准、电池标准等等在不同国家诸多车企的呼吁之下走向大一统,充分地最大化电动汽车的推广范围和使用便利性。

目前被国际上广泛接受的电动汽车直流充电技术,无论是Chaoji\CHAdemo还是CCS,均已树立450kW以上的充电功率目标,如此高的功率已经打破了原有的电压和电流的限制,为充电桩企业和车企指明了前行的方向。

需要强调的是,电动汽车快充的最终落地,单一企业孤军奋战不可能完成,不仅需要车、电池、桩三方联动,也迫切需要整个产业链协同共进,共同推进电动汽车高压快充发展。

如要在15分钟充满60度或80度电,功率要达到240kw或者320kw,意味着一根充电桩的功率要接近一栋居民楼,电网瞬时难以承受如此大的冲击。此外,快充高压条件下车上电池包、电驱动、PTC、空调等都需重新适配,对供应链环节提出新的挑战。

关键字:动力电池

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