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9分钟充电80% 新能源汽车“快充”成为可能

时间 2020-10-15 16:33:19 来源:科技日报  

国庆长假刚过,国务院于10月9日召开常务会议,通过了《新能源汽车产业发展规划》,为新能源汽车产业的未来发展指明了方向。《规划》指出了四个关键要点,其中之一就是加大关键技术攻关,鼓励车用操作系统、动力电池等开发创新。

同一天,中国科学技术大学季恒星教授研究组与合作者合作,在新型锂离子电池电极材料研究方面取得重大突破:全新设计的黑磷复合材料使兼具高容量、快速充电且长寿命的锂离子电池成为可能。这项成果10月9日在著名的《科学》上发表。

9分钟充80%电量,新能源汽车“快充”成为可能

近年来,电动汽车愈发受到市场青睐,但漫长的充电时间也让人望而却步。传统燃油汽车仅需五分钟即可满油增程500公里,而目前市售最先进的电动汽车则需要“坐等”充电一小时才能达到同样的增程效果。发展具有快速充电能力的大容量锂离子电池一直是该行业的重要目标。一项最新研究突破使该目标更加接近。

电极材料是决定电池性能指标的关键因素之一。“我们希望能够发现一款既能在综合性能指标方面给行业以期待,又能适应工业化电池生产流程的电极材料。”季恒星教授说。

论文第一作者金洪昌博士介绍:“能量通过锂离子与电极材料的化学反应进出电池,因此电极材料对锂离子的传导能力是决定充电速度的关键;另一方面,单位质量或体积的电极材料容纳锂离子的多少也是一个重要因素。“

黑磷是白磷的同素异形体,特殊的层状结构赋予它很强的离子传导能力和高理论容量,是极具潜力的满足快充要求的电极材料。然而黑磷容易从层状结构的边缘开始发生结构破坏,实测性能远低于理论预期。季恒星团队采用“界面工程”策略将黑磷和石墨通过磷碳共价键连接在一起,在稳定材料结构的同时提升了黑磷石墨复合材料内部对锂离子的传导能力。

但电极材料在工作过程中会被电解液逐渐分解的化学物质所包裹,部分物质会阻碍锂离子进入电极材料,就像玻璃表面的灰尘阻碍光线穿透。研究团队用轻薄的聚合物凝胶做成防尘外衣“穿”在黑磷石墨复合材料表面,使锂离子得以顺利进入。

“我们采用常规的工艺路线和技术参数将黑磷复合材料做成电极片。实验室的测量结果表明,电极片充电9分钟即可恢复约80%的电量,2000次循环后仍可保持90%的容量。”共同第一作者,中国科学院化学研究所的辛森研究员介绍说,”如果能够实现这款材料的大规模生产,找到匹配的正极材料及其他辅助材料,并针对电芯结构、热管理和析锂防护等进行优化设计,将有望获得能量密度达350瓦时/千克并具备快充能力的锂离子电池。”

具备能量密度350瓦时/千克的锂离子电池能够使电动汽车的行驶里程接近1000千米,而特斯拉Model S满电后的行驶里程为650千米。快速充电能力将使电动汽车的用户体验上升一个台阶。

在新技术的基础上,团队将在基础研究层面和规模制备技术方面继续探索,“我们将在现有基础上持续努力,使研究结果更加贴近电池产业的要求。”季恒星教授表示。

动力电池频频迎来重大突破

先是比亚迪刀片电池横空出世,紧接着广汽宣布石墨烯电池取得了突破,再然后是一直低调的蜂巢能源,推出了可量产的无钴电池,直接把续航升到880km。

刚刚过去的2019年,国内新能源汽车风向又变了。国内新能源汽车补贴大幅退坡,动力电池行业白名单也取消了。

国内电池企业压力山大,必须寻求技术突破。这一切,催生出了2020年上半年的这场动力电池大比武。

首先是老牌电池企业比亚迪举起刀片电池的大旗,宣告磷酸铁锂电池的回归。当年磷酸铁锂电池之所以被三元锂电池比下去,无外乎能量密度太低,以及低温性能差。但是它也有优势,成本低,稳定性好。

比亚迪的刀片电池,就是改良后的磷酸铁锂电池,它的创新来自于材料结构和制造工艺的改变。简单来说,就是比亚迪把电芯做得更薄更长更扁平化,这样体积能量密度就大幅提升了,续航也就相应提高,第一款搭载刀片电池的比亚迪汉EV综合工况续航605公里,进入了600km也就意味着进入了目前电池续航能力第一梯队。

和比亚迪的刀片电池相比,广汽新能源的石墨烯电池是又一业界重磅消息。石墨烯是目前发现的最薄、强度最大、导电导热性能最强的一种新型纳米材料,这么牛的材料要是做成电池,就能解决电动汽车所有痛点了。

但业内专家也表示,所谓的石墨烯电池技,在理论上能提高充放电速率,但是对容(能)量提升没有任何帮助,而且它作为纳米材料,和锂离子电池工业的技术体系也不兼容。

具体广汽的石墨烯电池应用了什么技术,还没有对外具体说明,只公布了一个很牛的数据:8分钟充电至85%,而且电池寿命和安全性也达到使用标准了。

蜂巢能源抢特斯拉即将召开的“电池日”之前发布了一种可行性方案——NMX无钴电池。

无钴电池指的并非本身就不含钴的磷酸铁锂电池,而是去掉了钴之后的三元锂电池。为啥电池企业都追求无钴化?因为钴很稀有,总储量少,价格高,开采过程很难。据蜂巢公布的消息,他们除了在电芯核心技术上实现了突破,其L6薄片无钴电芯,寿命达到15年120万公里,综合续航880km,明年下半年能够量产。

不管上面几家推出的重磅技术是科研领域的突破,还是给资本市场找话题,反正各家量产时间表都公布了。对消费者来而言,这是好事:电池的成本会更低、充电更快、续航更长、安全性更高,彻底取代燃油车的时间表,也会越来越近了。或许,用不了多少日子,真的可以开电动车出远门了。

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