《金砖锂电论坛》何向明:快充电池技术

发布日期:2020-12-08

核心提示:由深圳市电池行业协会、第一锂电网共同举办的“2020中国国际锂电技术发展高峰论坛”于11月2日-3日在深圳会展中心盛大召开。本次论坛以“新技术、新应用、新发展”为主题,推动企业交流发展。
由深圳市电池行业协会、第一锂电网共同举办的“2020中国国际锂电技术发展高峰论坛”于11月2日-3日在深圳会展中心盛大召开。本次论坛以“新技术、新应用、新发展”为主题,推动企业交流发展。

清华大学核研院锂离子电池实验室主任何向明先生,在本次中国国际锂电技术发展高峰论坛做了《快充电池技术》演讲。

今天有一些熟悉的面孔,但是大多数面孔都不熟悉,我看是新人比较多。今天我跟大家分享一下充电桩,再讲讲快充的科学和工程问题。我们在储能科学技术发表了一篇文章,大家会更仔细看两个综述,从模组到材料,今天给大家分享一下想法。我对电动车持乐观态度,随时都是持乐观态度,这是国际能源局的预测,到2030年,全球会有3个多亿的车,这是大家都知道确实比较乐观。
 
为什么乐观?实际上有两个因素给大家讲:1.地球变暖。这件事情是很重要的,尤其是中国、欧洲这些大国一定会考虑这些事儿,所以新能源汽车是必须的。2.新能源汽车是拉动GDP最主要的产业。作为一个大国,不发展新能源汽车,GDP是很难增长很快的。在个人消费品当中,价值最高的就是车,几年换一辆,剩下就是手机比较贵的,一般是几年换一个,但车更贵,它一定是对GDP贡献很大,所有领导人都会意识到这一点,所以要大力发展新能源汽车。中国GDP要超过美国,超出的部分从哪增长出来?可能很大一部分是从新能源汽车产业链出来。
 
我们来看看快充有多重要,一个普通的燃油车,比如说从天津到南京是8个小时,如果是普通纯电动开300公里,中间就要4次充电,4次充电就要开10个小时多一点。如果走到快充,大概就是8小时多一点,跟普通燃油车差不多,所以快充电确实很重要。快充有很多难点,所以这是一个逐步发展的过程,怎么发展呢?我们来看看。
 
这是一个充电的情况,给大家分享一下。左下角是我们国内,中间是美国,旁边是欧洲,欧洲的力度比我们高很多,美国密度也高很多。新闻上说特朗普不支持新能源汽车,因为他要得到石油利益集团的支持,实际上美国这4年也发展很快,电池厂增加了很多,充电桩做了很多,只是大家觉得美国不发展,实际上它发展很快。
 
可以看出来,从快充来说,现在特斯拉在ModleS和刚刚说的有很大的区别,将来要做到400Kw的充电功率,还有很长的路要走。再看看每分钟所走,目前最好是特斯拉,充1分钟能走10公里左右,100公里就要充10分钟。将来目标是走到400Kw,充1分钟能走近40公里,大家就非常方便了。
 
这是目前充电的情况,可以看得出来这是一个最大的矛盾,就是可以很快充电的电池能量比比较低,这是一个比较大的矛盾。比如说最典型的东芝SCID电池,这个快充性比较好,但是能量比较低,所以纯电动也不是很好。这就是一个矛盾,能量高的快充性能就低一点。
 
这是一个充电的值,大家可以算,充电所能行驶的里程。根据这个一列,美国能源部出了400Kw,为了充电电路进一步提升,希望电压超过800伏。现在国内也有企业在开发800伏的企业,如果400伏的系统是很难做到,800伏还有可能。还有企业想做1000伏,如果电压高,成本也就高了,这也是一个问题。
 
看充电电流和充电功率的关系,充电功率进一步增加,电流就会非常的大。电流大会产生很多的问题,充电的接口的问题、充电枪重量的问题,当然现在来看,快充要解决的方案是全自动的,而不是人去拿充电枪做,恐怕是自动的,车开上去之后有自动的装置,这样会更好一些。这是基本的物理学都能算出来,功率大了,电流就大。这里做了一个规划,看得出来不同的车会采取什么样的充电。其实快充电有很多的问题,现在里程焦虑是快充,但是安全性、可靠性问题都会有。快充之后,电池的寿命是不是可以支撑?现在这还是一个很大的问号。
 
我们来看成本,快充的时间越短,实际上它的成本是增加的,而且电池的温度也会快速地升高。美国能源部做了个计算,可以看得出来,它的成本是增加了快1倍,因为很多材料都会有新的要求,所以,快充会产生系统层面的问题。
 
首先是电芯的挑战,左边这个图可以看得出来发热,电路增加了之后,电池之间的接口温度增加也会非常的多。也可以看得出来,温度跟寿命的关系,温度高了之后寿命就低,这些都会对快充造成比较新的挑战。
 
在我们可以看得出来,左边这个图是100Kw和150Kw时,电池的温度差不多到50度,是可以被接收的。现在再把充电功率增加,电池温度就会上升很快,电池温度上升之后,寿命就会大幅度下降,而且出现安全事故的概率也会大的提升。从系统性和安全性来看,如果要做快充,也是一个大的挑战。
从安全性的分析就可以看得出来,快充还有一个大的挑战就是负极锂析出,这会引发热失控,具体的情况比较复杂,不同的电池设计、不同的情况,还是比较复杂。总的来说,快充安全事故也是非常值得大家关注的。
 
从快充来说,电池的制造也有很大的挑战,它会放热、会有引发很多的负反应。有的人跟我说快充多少,最典型是2015年有一个教授用了10毫克的电极材料,10秒钟就能充满电。记者又不懂,大肆宣传,说复旦大学搞了一个特别好的技术,说是10秒钟就能把电动车充满。很多地方政府找我,说认不认识这个教授。你要在真实的情况下,10秒钟根本是不可能的,电动车10秒钟充满电简直不可思议。我经常说,一个企业说电池快充好,我们要有基本的指标,就是比能量相同,再来比快充,这个才是本色。比能量200和比能量100相比就不好比了,它一定是有能量密度的因素。
 
从快充来说,大家也做了很多的连接,但是,大多数研究都是在材料层面,作为一个材料,2-3个毫克,看看能不能快充。看快充的文章,95%以上都是材料学,在极片都是比较少的,全电子层面就更少了。要研究快充,做材料的人来说,首先要做到极片材料,做到2毫安/平方厘米或者是4毫安/平方厘米,在这样的情况下讲快充才会有意义。很多记者材料层面一步跨到了电动车,这是不对的,差得是比较远的。当然,我们也看到电池的比能量进一步提高,一直到高镍,现在接近270-300之间,已经可以做到产品化。但是那么高的比能量,快充更是很大的挑战,所以,我们需要开发一些新的材料。
 
我们看材料,大家会看得出来,几百C的都有,都很高,但是做成极片就很难。简单来说,对于普通的石墨负极,EC充电就很容易析锂。对于石墨来说,石墨最好的寿命是0.5C,如果1C充电,很多企业做得比较好,但是大多数企业我们来判断,都会发现1C的石墨,这样会影响安全性和寿命。负极材料现在可选择不多,基本上还是石墨。
 
在极片的设计上也很讲究,从科学角度上,电极极片快充的时候为什么会析锂,为什么极片的中间有一些容量发挥不出?这个问题我可以告诉大家,目前为止科学界还没有完全解决这个问题,实际上没有人非常清楚从分子层面,当快充的时候怎么在极片迁移的问题,这个目前还是不清楚的。所以很多基础科学的研究还是有很多空白点,虽然锂电做了这么多年,这也是从科学上比较难解决的问题。
 
极片厚了之后,容量就会很小,我们也做了实验。极片厚了很多,很多人认为是扩散控制,另外,把电流放得非常小。即便非常小的时候,极片厚的话,容量也很难发展出来。我现在也不知道为什么,我们也有一个团队一直想把这些搞清楚,从电极基础的学科入手,希望把它搞清楚。这个问题也是很重要的。从企业来说,跟孔隙率有关,但是这些数据也是对于不同的体系、不同的厂家都有差距,这里面的基础科学还需要进一步的研究。
 
从快充来说,三个方面都要统一、有机的考虑:材料、电池和应用,从这些方面考虑。可以给大家介绍一个新的材料,我不多讲了,大家也都知道。但是电芯层面要解决热,系统层面要解决电压。
 
今天的重点是给大家推荐磷@碳材料,它在系统层面和电芯层面都有比较好的能力而且具备了高比能量的特性。这是一个材料的出发点曲线、循环曲线、极片层面倍率性能,也跟钛酸锂和石墨做比较,在相同面积度,2-4毫安/平方厘米的面积下,材料的厚度可以做得比较薄。电池的体积比能量算过,跟石墨相比,它就薄了很多。跟钛酸锂相比就更薄。按照240Wh/Kg,6.2万跟石墨相比,把负极换成这个材料,它的结论就是这个图。它的质量比能量跟石墨电池是差不多的,没有太多的变化。因为它的容量高,但是电压会高,会下来。体积比能量会比石墨高一点,这对于电动车来说是好消息,会提升22%的体积比能量。充电基本上就可以做到10-15分钟的充电电芯层面,成本是比石墨电池会低一些,制造成本基本上相当,安全性会好很多,这是一个很有希望的材料,值得大家关注。当然,新材料的发展其实还是挺不容易的,因为要从材料做到极片、电芯,这也是发展了快10年的材料了。
 
我今天给大家分享这20分钟,谢谢大家。

 
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