快充類負(fù)極材料的研究探討
圖為貝特瑞技術(shù)總監(jiān)閆慧青做會(huì)議演講
為了幫助企業(yè)客觀分析2016年動(dòng)力電池行業(yè)運(yùn)行情況，正確把握行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)，加大動(dòng)力及儲(chǔ)能電池的開發(fā)應(yīng)用，由中國(guó)化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會(huì)和電池中國(guó)網(wǎng)聯(lián)合主辦，雙登集團(tuán)股份有限公司、壹能（北京）網(wǎng)絡(luò)科技有限公司共同承辦的“2016年第五屆中國(guó)電池市場(chǎng)年會(huì)暨2016年第一屆動(dòng)力電池應(yīng)用國(guó)際峰會(huì)、2016年第二屆中國(guó)電池行業(yè)智能制造研討會(huì)”于11月14日在北京拉開帷幕。本次年會(huì)聚集了來(lái)自政府主管部門領(lǐng)導(dǎo)、知名科研機(jī)構(gòu)專家、新能源汽車動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)鏈上中下游的企業(yè)家、投資機(jī)構(gòu)代表以及媒體記者等500多人參會(huì)。
在本次會(huì)議上，深圳市貝特瑞新能源材料股份有限公司技術(shù)總監(jiān)閆慧青做了題為《快充類負(fù)極材料的研究探討》的專題報(bào)告，以下是根據(jù)速記整理的內(nèi)容，未經(jīng)本人審核，僅供參考。
閆慧青：各位領(lǐng)導(dǎo)，各位來(lái)賓，各位代表，我們行業(yè)專家們，大家下午好！我是來(lái)自深圳市貝特瑞新能源材料股份有限公司的，我今天很大家分享的題目是“快充類負(fù)極材料的研究探討。”
講到快充的時(shí)候，很多人都聽到過(guò)幾個(gè)廣告語(yǔ)“充電5分鐘，通話2小時(shí)”，我們特斯拉是“充電40分鐘，SOC 80%”，這“OPPO對(duì)陣特斯拉，誰(shuí)決定快充技術(shù)的未來(lái)？”我們不說(shuō)誰(shuí)決定技術(shù)的未來(lái)，但是我們可以清晰的看到快充技術(shù)已經(jīng)是現(xiàn)在大家關(guān)注的焦點(diǎn)之一。
中國(guó)電動(dòng)汽車增量今天很多專家都已經(jīng)講過(guò)，我們這里統(tǒng)計(jì)2015年的鋰電達(dá)沃斯的研究和數(shù)據(jù)來(lái)看，2010年和2016年增長(zhǎng)是很大的，我們快充的電動(dòng)汽車會(huì)有上升的比例，我們預(yù)計(jì)不了這個(gè)量多大。提到快充，我們到底希望的目標(biāo)是什么，這個(gè)是兩年前特斯拉的一個(gè)技術(shù)老總提出來(lái)的，說(shuō)我們?cè)谌加蛙嚨臅r(shí)候，可能加油只需要2分鐘可以搞定，我們的電動(dòng)車在家里充電可能是6—8個(gè)小時(shí)，所以在2年前他也提出15分鐘內(nèi)要把電動(dòng)車充好，我們整體的目標(biāo)也是希望，作為消費(fèi)者也是這樣需求，充電時(shí)間一定要接近加油時(shí)間，這樣我們用起來(lái)更方便，所以他提出的充電時(shí)間在15分鐘以內(nèi)。
我們貝特瑞作為電池材料的一個(gè)主要開發(fā)廠商，我們能對(duì)快充做些什么呢，我們希望能提供一個(gè)有利的材料保障，這個(gè)我們內(nèi)部叫“E&G的追夢(mèng)工程”，我們希望通過(guò)我們的材料開發(fā)為快充型的電動(dòng)車起到促進(jìn)作用，所以我們開發(fā)的有正極、負(fù)極的黏結(jié)劑的導(dǎo)電材的，今天講的是負(fù)極的，其他方面會(huì)后可以溝通。我們最終想實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)是什么呢？就是充電時(shí)間能接近我們的加油時(shí)間，最好在10分鐘以內(nèi)，同時(shí)能讓我們的車?yán)m(xù)航里程達(dá)到500公里以上，性價(jià)比與燃油車等同，當(dāng)然這個(gè)是我們的目標(biāo)，我們要逐漸的接近這個(gè)目標(biāo)。作為快充類的負(fù)極材料我們要解決哪些問(wèn)題看看能應(yīng)用呢？第一，我們要逐漸縮短它的充電時(shí)候，提升他的充電SOC。第二，我們的倍率充電提升了，我們的循環(huán)性能可能會(huì)下降，所以我們要提升倍率充電下的循環(huán)性能。第三，上午很多專家提到了安全性，就是擔(dān)心負(fù)極界面會(huì)析鋰，所以是作為很重要的方面研究，改善負(fù)極界面，提升安全性能。第四，也是關(guān)注的焦點(diǎn)，需要持續(xù)的降低成本。
貝特瑞快充負(fù)極材料做了哪些開發(fā)呢？我們是做了四個(gè)材料的，當(dāng)然四個(gè)材料里倍率性能是不一樣的，充電和快充性能是不一樣的，第一個(gè)，快充石墨類的快充材料。第二個(gè)是快充軟碳、硬碳的材料。第三個(gè)，快充的硅系列的材料，當(dāng)然硅系列的快充沒有前兩個(gè)性能好，第一是在2C以內(nèi)的，其他更高一些。第四個(gè)，快充碳酸鋰的負(fù)極材料，這個(gè)倍率更大。
第一個(gè)，快充的石墨負(fù)極材料。石墨負(fù)極材料解決什么問(wèn)題？快充的時(shí)候主要在恒流階段快充比較大，所以我們要解決恒流階段大功率問(wèn)題，我們電化學(xué)體系里面要解決三個(gè)極化問(wèn)題來(lái)改善它的快充。我們的負(fù)極材料呢？因?yàn)檎w是在電池里，是處于負(fù)電類的那一端、電力低的那一端，除了考慮自身，還要考慮跟他相臨近的兩個(gè)，一個(gè)是電解液，一個(gè)是急流體。負(fù)極材料跟電解液接觸，希望能改善他的析液性能，提升浸潤(rùn)，跟極流體接觸，希望高電子電導(dǎo)，同時(shí)多點(diǎn)接觸粘接力。同時(shí)我們石墨類材料要解決的問(wèn)題，是鋰離子的嵌入，需要及時(shí)補(bǔ)充鋰離子，另外快速的及時(shí)的嵌入。我們作為負(fù)極材料要解決的就是，實(shí)現(xiàn)高的擴(kuò)散系數(shù)，短距離、多通道，再到我們整體材料的微觀結(jié)構(gòu)或者是我們的一些指標(biāo)來(lái)看，就要實(shí)現(xiàn)間距大、顆粒要小、同時(shí)結(jié)構(gòu)控制好。
我們整體快充石墨負(fù)極材料的開發(fā)思路，已經(jīng)不是簡(jiǎn)單的石墨結(jié)構(gòu)了，我們做的一個(gè)整體的結(jié)構(gòu)構(gòu)建，其實(shí)總體來(lái)講是一個(gè)梯度碳的結(jié)構(gòu)，一個(gè)是梯度碳，一個(gè)是梯度內(nèi)部的結(jié)晶度，這塊引用了一個(gè)內(nèi)部的硬碳結(jié)構(gòu)，另外就是摻雜改性、SEI膜改善等整體幾個(gè)加起來(lái)開發(fā)的材料，這個(gè)材料我們開發(fā)的第一代產(chǎn)品是BFC—10和BFC—18，這是相關(guān)指標(biāo)，同時(shí)我們也在開發(fā)極限石墨，那個(gè)沒有放上來(lái)，我們還在持續(xù)的開發(fā)中。
BFC系列的快充材料目前做的水準(zhǔn)是10分鐘的，就是6C的CC充，10分鐘能沖進(jìn)去82.5%的SOC，這兩個(gè)都基本是在8%是2點(diǎn)多。而且在倍率循環(huán)，這里左邊那個(gè)圖6C充、1C放，我們?cè)u(píng)測(cè)800周BF—10能做到1000周，客戶評(píng)價(jià)比我們循環(huán)數(shù)據(jù)好1.5倍的都有，我們沒有放上來(lái)。前面是快充石墨類的，第二大類型類是快充軟（硬）碳的負(fù)極材料。軟（硬）碳碳的結(jié)構(gòu)很利于快充，但是有很多優(yōu)勢(shì)，高倍率、高安全、長(zhǎng)壽命、耐低溫的特性，但是也存在一些問(wèn)題，能量密度比較低、首次效率比較低，所以我們要解決的問(wèn)題就是要提升能量密度、提升首效。采用的思路，進(jìn)行一些表面的修飾，減少負(fù)反應(yīng)，同時(shí)要進(jìn)行摻雜，提高儲(chǔ)量的容量，提高首效。
這個(gè)是我們開發(fā)的軟碳和硬碳的材料，第一個(gè)是硬碳的，容量有400，效率83%，我上午看了行業(yè)專家給的新能源軟碳的目標(biāo)，容量基本達(dá)標(biāo)了，效率給到85%，所以要繼續(xù)提升1—2個(gè)點(diǎn)。軟碳的能量300，效率84%，我們硬碳和軟碳，作為快充材料，為什么有很好的優(yōu)勢(shì)？就是這個(gè)平臺(tái)，這里是更利于快速的嵌入，不容易析鋰，所以安全性能更好一些。在10C充電的時(shí)候，左邊那個(gè)圖，6分鐘能充93.0%，硬碳是93.0的SOC，軟碳是90.7%，而且電壓上升是很平緩的，不像石墨很抖，等一下有一個(gè)對(duì)比圖。既然硬碳有很好的快充特性，我們結(jié)合硬碳的快充特性做了復(fù)合負(fù)極材料，跟石墨進(jìn)行復(fù)合，容量可以做到350，效率91%—92%，好的特性在哪里呢？從放大的充放電曲線，左邊這個(gè)可以看出來(lái)，經(jīng)過(guò)復(fù)合石墨的電壓平臺(tái)會(huì)有一個(gè)上升，這樣的話金屬鋰不容易析出，另外充電的SOC也有90左右，這幅圖就可以比較出來(lái)，純的石墨SOC上升的同時(shí)電壓上升也是很快的，但是硬碳就相對(duì)平緩一些。
第三類，快充硅碳的，其實(shí)硅碳跟其他幾個(gè)比，它的快充沒那么好，但是因?yàn)槲覀兒笃诙枷Ｍs短時(shí)間，所以我們也在持續(xù)的提升它的倍率充電性能。硅碳的快充要解決縮短距離等，有很多種，復(fù)合CNO的，增長(zhǎng)阻抗，還有硅納米化，利于鋰和硅化合物的形成。這是我們構(gòu)建硅碳材料的結(jié)構(gòu)，內(nèi)部有中空的、石墨的、有納米硅的，表面是一個(gè)碳的結(jié)構(gòu)，這樣的結(jié)構(gòu)是非常穩(wěn)定的硅、石墨的復(fù)合結(jié)構(gòu)，這是我們材料的一個(gè)切面，可以看出來(lái)這些是硅的、這些是石墨，表面還有一層碳，最終實(shí)現(xiàn)容量1300，效率86.5。我們做了一些評(píng)測(cè)，跟石墨復(fù)合，2C充電，2C比0.2C可以做到84.4，2C充、10C放，循環(huán)能達(dá)到500周。第二類硅系列材料，硅氧復(fù)合材料，碳層的包覆和碳子的摻，實(shí)現(xiàn)了容量1600多，效率77.3%，2C充、10C放可以做到80周的循環(huán)，在無(wú)人機(jī)也有在評(píng)測(cè)。
第四類，快充負(fù)極材料是鈦酸鋰，我們都知道離子擴(kuò)散系數(shù)極會(huì)比石墨高一個(gè)數(shù)量級(jí)，同時(shí)充放電體積膨脹是沒有的，因?yàn)檫@個(gè)特性所以對(duì)快充是非常有利的。但是存在一些問(wèn)題就是，能量密度低，電子電導(dǎo)差，所以我們開發(fā)就是要解決它存在的問(wèn)題，提升能量密度、改善加工、提升功率密度，同時(shí)控制表面的純度減少產(chǎn)氣這樣才能應(yīng)用。我們開發(fā)的鈦酸鋰第一代、第二代，第三代還在開發(fā)中，這個(gè)是第一代和第二代的相關(guān)指標(biāo)，第二代的產(chǎn)品就是這個(gè)球形的，也是為了提升能量密度制作的。我們對(duì)鈦酸鋰的倍率充電進(jìn)行評(píng)測(cè)，這是一個(gè)充電圖，我們看出來(lái)鈦酸鋰恒流充電的時(shí)候SOC充電效率是非常大的，所以很適合大倍率充電，這里10C充電的恒流比有87.5，第一代的鈦酸鋰，第二代的鈦酸鋰評(píng)測(cè)倍率充電的話，這是我們一個(gè)客戶的反饋，就是在15分鐘以內(nèi)充電也可以SOC充到95.7%，這是CC+CV的，如果用CC的，在6分鐘以內(nèi)基本是可以充到85—90%的水準(zhǔn)，就是鈦酸鋰非常適合大電流充電。
以上是我們四種快充類的材料，但是對(duì)于國(guó)家我們規(guī)定的路線，到2020年、2025年實(shí)現(xiàn)的高能量密度快充怎么做，我們探討是快充類負(fù)極材料要走什么樣的路線，我今天用馬丁路德金的，我們希望開發(fā)出一款復(fù)合性的負(fù)極材料，因?yàn)槲覀兛戳饲懊嫠姆N快充類的材料各有優(yōu)劣勢(shì)，所以想開發(fā)出一款復(fù)合形的高能量密度的負(fù)極材料，經(jīng)過(guò)我們電池廠和車長(zhǎng)的緊密合作能夠做到300Wh/kg，續(xù)航里程500公里，這樣一個(gè)工程，也希望我們?cè)诓牧戏矫婺芙o電池廠和車廠做一個(gè)貢獻(xiàn)。
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