登录注册
请使用微信扫一扫
关注公众号完成登录
我要投稿
随着动力电池能量密度的不断提升和成本的不断降低,电动汽车的续航里程也在不断增加,今年推出的电动汽车的续航里程普遍超过400km,部分中高端车型续航里程达到500km以上,基本上满足日常通勤需求。因此充电速度也就成为了新能源汽车推广应用的主要障碍,缩短充电时间能够更好的提升电动汽车的使用体验,对于推广电动汽车具有重要的意义。
(来源:微信公众号“新能源Leader” ID:newenergy-leader 作者:凭栏眺)
减少电动汽车的充电时间通常有两种措施:1)一种是通过提升充电速度,缩短充电所需的时间,这也是目前多数新能源汽车所采用的策略;2)第二种是通过更换电池组的方式将空电的电池组快速更换为满电电池组,这种策略通常会应用在出租车等营运车辆上。
提升充电速度虽然会带来充电时间上的缩短,但是过高的充电速度也会导致电池的衰降速度加快,影响电动汽车的使用寿命。近日,英国帝国理工大学的Anna Tomaszewska(第一作者,通讯作者)、XuningFeng(通讯作者)和清华大学的欧阳明高院士等从材料层面到系统层面全方位的对锂离子电池快充的影响因素、衰降机理和解决方法进行了回顾和综述。
锂离子电池主要由正极、负极、隔膜和电解液等部分构成,在充电的过程中Li+从正极脱出,经过电解液扩散到负极,因此整个过程中可能影响锂离子电池充电速度的因素主要有3个:1)Li+在固相中的扩散;2)Li+在固/液界面反应;3)Li+在电解液中的扩散,包括溶剂化和去溶剂化。在快速充的过程中正极衰降和正极界面膜(CEI)的生长通常不是限制因素,而负极由于动力学条件相对比较差,因此在快速充电的过程中容易发生析锂,进而减少负极可供Li+嵌入的有效面积,造成电池性能的劣化。
快充对寿命衰降的影响
快充导致的热量对电池的影响
快充会导致锂离子电池内部产热,锂离子电池的产热主要有可逆热和不可逆热两种,其中不可逆热如下式所示,其中U为电池的开路电压,V为电池电压,I为电流
在上述的不可逆热中有相当一部分来自电池的欧姆阻抗产热,如下式所示,其产热量与电流的平方成正比,因此在快充的过程中电池会产生更多的欧姆热。
电池充电过程中的可逆热则主要来自于电池中的熵变,根据电池的熵变可以计算电池的可逆热
相关研究表明在较低的倍率下可逆热是电池热量的主要来源,在较高的倍率电池的不可逆热则是电池的主要来源,而电池的温度对于锂离子电池的寿命具有显著的影响,因此锂离子电池在快充过程引起的电池温度变化对于锂离子电池的寿命具有重要的影响。
锂离子电池按照结构和形状主要可以分为三类:1)圆柱形;2)方形;3)软包,不同的结构的电池在不同的方向上具有不同的散热效率,例如对于圆柱形电池在直径方向上由于隔膜等导热效果较差的材料存在,因此电池内部温度较高的位置主要集中的电芯的中间位置,而对于方形电池和软包电池由于极耳位置的电流密度比较大,因此高温区域也主要集中在电池靠近极耳的位置,而且靠近正极极耳的位置通常也会比靠近负极极耳位置的温度更高。
电池内部的温度分布不均会造成电池内部电流分布的不均,同时极耳位置设计不合理也容易产生电流分布不均的现象,电流分布不均容易导致电池在充放电的过程中发生局部的过充或过放,以及副反应速度的不一致,进而导致电池内部衰降速度的不一致。温度分布的不均不仅仅发生在电池层面,在系统层面由于电池模组中单体电池的排列,冷却系统的设计等因素也会导致不同单体电池之间存在明显的温度梯度。过高的温度在正极一侧会加剧粘结剂分解、不可逆相变和过渡金属元素的溶解等问题,而负极一侧则面临SEI膜生长加速,从而消耗电池内部有限的活性Li,导致电池不可逆的容量损失,并引起电池产气。
快充引起的负极析锂
正常的情况下Li+从正极脱出迁移到负极表面,然后嵌入到负极之中,但是当负极表面由于电流过大或温度过低时会产生较大的极化,当负极表面的极化电位低于金属Li时,Li+会以金属Li的形式在负极表面析出,造成电池的库伦效率降低,容量损失,严重的情况下甚至会刺穿隔膜导致严重的安全事故。
为了提升锂离子电池的使用寿命和安全性,需要尽可能的避免锂离子电池在使用过程中发生析锂,因此人们发明了多种探测锂离子电池析锂的方法,例如光学显微镜技术、扫描电镜技术和透射电镜技术、核磁共振技术等,但是这些方法都需要对电池进行解剖,或电池生产的过程就设计成为特殊结构。因此人们还开发了多种无损探测负极析锂的方法,例如衰降速度方法、电压平台法和模型法等。
以速度衰降法为例,金属Li反应活性高,负极表面析锂后,金属Li会持续的与电解液发生反应,从而消耗有限的活性Li,从而加速锂离子电池的衰降,因此我们可以通过电池衰降速度的变化判断电池在循环过程中是否析锂。
析锂通常会导致电池的库伦效率的轻微降低,因此高精度的库伦效率仪也同样可以通过探测锂离子电池库伦效率的微小变化判断锂离子电池是否发生析锂。
部分在负极析出的金属Li在电池充电后的静置阶段能够重新嵌入到石墨负极之中,因此我们能够在电池静置过程中的电压曲线上观察到一个平台,因此我们通过观察是否出现这一平台来判断锂离子电池是否出现了析锂。
快充导致的电极粉化破碎
电极的粉化和破碎是锂离子电池常见的现象,在NCM、NCA和Si负极中我们都观察到这一现象,电极的粉化和破碎导致的活性物质损失是锂离子电池衰降的常见机理。作者根据从微观到宏观的尺度变化,将粉化和破碎现象分为以下几类:1)活性物质颗粒内部的裂纹;2)活性物质颗粒与导电剂、粘结剂分离;3)电极与集流体之间的剥离。
导致电极粉化和破碎的原因主要是快充导致的电池内部的Li浓度的变化,在快充的过程中由于脱Li和嵌Li速度较快,因此会在正极和负极内部都会产生较为显著的Li浓度梯度,从而导致锂离子电池内部的应力分布不均,进而导致了活性物质颗粒的破碎,电极的剥离等现象,引起活性物质的损失。
如何改善电池的快充性能
正负极活性物质的选择
传统的锂离子电池以石墨为负极活性物质,石墨的嵌锂电位与金属Li接近,因此在大电流充电的过程中非常容易出现析锂的问题,有研究表明在石墨负极表面包覆一层1%的Al2O3能够将石墨负极在4000mA/g的大电流密度下的容量提升到337.1mAh/g。此外,Li4Ti5O12材料虽然容量较低,但是其快充性能非常优异,并且具有非常好的循环稳定性,同时其较高的电位也让负极析锂的风险几乎不存在,非常适合作为快充锂离子电池的负极材料。
除了负极材料的选择,负极/电解液界面的改造也是提升锂离子电池快充性能的有效方法,石墨表面包覆无定形碳、金属包覆和掺杂(如Cu和Sn)等都是改善石墨负极快充性能的有效方法。同时石墨材料的晶体结构也会对其倍率性能产生显著的影响,研究表明中间相的软碳的快充性能要明显好于中间相石墨和硬碳材料。
电极结构设计
除了材料的选择之外,如何进行电极设计也对电池的快充性能有显著的影响,例如研究表明提升电极的孔隙率能够有效的提升电池的快充性能,同时提高N/P比也能够有效的减少负极析锂的风险,提升电池的倍率性能。
电池结构设计
除了电极的结构设计,锂离子电池的结构设计也对锂离子电池的快充性能有显著的影响,极耳的位置、材料、结构和焊接方式的选择都会影响电池内部电流的分布,同时电池的形状也会影响电池内部温度的分布,进而影响锂离子电池内部电流的分布,不均匀的电流分布更容易引起电池极化增加,导致局部析锂,从而影响电池快充性能。
电池组的设计
虽然对于锂离子电池快充性能的研究比较多,但是对于电池组快充性能的研究仍然比较少,有研究显示日产聆风电动汽车的电池组在2C倍率充电时,衰降速度要远远快于采用同样充电速度的单体电池,研究显示这主要是电池组内部的单体电池之间的积累的偏差导致的,因此电池组快充性能的提升不但需要高性能的单体电池,还对电池组的充电管理和热管理系统提出了非常高的要求。
充电策略的选择
恒流恒压充电(CCCV)是最传统的一种充电方式,该方式首先采用较大电流进行恒流充电,在达到截止电压后,转为恒压充电,不断降低充电电流,从而尽可能的减少电池的极化。因此对于这种传统的充电方式而言,缩短充电时间最有效的方法就是提高充电电流,但是提升充电电流一方面会导致极化增加,增加恒压充电的时间,另一方面大电流充电也会导致负极析锂,因此对于快充而言选择合适的充电策略也是非常重要的内容。
多步恒流充电法
石墨负极随着嵌锂量的增加,Li+的固相扩散系数会持续降低,根据石墨负极的这一特点,多步恒流充电法应运而生。多步恒流充电法在恒流充电阶段包含多个恒流电流值,其中在开始的时候一般会选择较大的充电电流,进入到充电的末期,恒流电流值会降低,从而避免负极析锂,在经过多步(至少两步)恒流充电后,电池进入恒压充电阶段。通过在初期大电流的应用,可以有效的缩短充电时间,目前多数的电动汽车快充策略均为这一方案。
脉冲充电策略
脉冲充电是用大电流对电池进行短时间充电,然后是一段静置,甚至是放电,紧接着再次进行大电流脉冲充电的方法,这一方法的主要目的是通过静置消除极化,减少负极析锂的风向,部分策略增加放电过程的目的是通过放电消除负极表面析出的金属Li,从而在缩短充电的时间的同时,提升锂离子电池的循环寿命。
加速启动式充电策略
这一充电策略类似于多步法恒流充电策略,但是其初期的充电电流远远高于多步法充电策略,有研究显示在开始充电时增加5min的加速充电电流,可以将充电时间缩短30-40%(相比于1C CCCV充电),而不会对电池的寿命产生显著的影响。
热管理对于锂离子电池快充的影响
锂离子电池体系对于温度十分敏感,温度过高会导致电池寿命急剧衰降,温度过低则容易导致充电析锂,也会严重影响电池的使用寿命,严重的情况下甚至会引发安全事故,因此如何做好热管理对于提升锂离子电池的快充性能也有重要的意义。
散热
根据散热介质,我们通常可以将散热系统分为风冷散热、液冷散热和相变散热,其中风冷散热成本最低,结构最为简单,但是散热效果较差,因此不适合快充系统。液体热容较高,因此散热效果远远高于风冷散热,在一些研究中为了最大程度的改善散热效果,甚至直接将电池浸入到冷却液之中,为了避免短路,通常需要采用非电子导体液体,例如去离子水和矿物油等。相变散热主要是利用材料的相变潜热吸收电池在充放电过程中产生的热量,这一策略也存在明显的缺点,例如环境温度过高时,由于材料提前发生相变,因此无法吸收电池放热,而且材料一旦发生相变,从固体转变为液体后,热导率较低,因此无法及时将电池内部的热量扩散出去,
预热
锂离子电池快充除了要解决快充导致的产热问题外,还需要解决温度过低时快充容易导致析锂的问题。在北方地区的冬天,温度通常会降的比较低,为了避免充电析锂,因此在开始充电时需要首先对电池进行预热,快速让锂离子电池的温度升高到可以充电的温度,从而缩短充电时间。锂离子电池预热的方式有很多,其中效率最高的为内部加热,常见的内部加热包括放电加热、交互脉冲加热和交流电压加热,研究显示通过10mV振幅的交流电流能够在80s内容18650电池从-20℃升温到20℃,近年来有学者提出的在电池内部预置加热片的方式也能够实现电池内部的快速加热。
随着新能源汽车续航里程的不断增加,里程焦虑问题已经基本解决,而如何缩短充电时间就成为了我们下一个需要克服的难题,快充技术是缩短充电时间的有效方法,但是如何做好快充却不是一件简单事的事情,我们需要从材料的选择、电极设计、电池设计,以及电池组和热管理系统的设计等方面综合考虑,在提升动力电池充电速度的同时又不对动力电池的循环寿命产生影响。
特别声明:北极星转载其他网站内容,出于传递更多信息而非盈利之目的,同时并不代表赞成其观点或证实其描述,内容仅供参考。版权归原作者所有,若有侵权,请联系我们删除。
凡来源注明北极星*网的内容为北极星原创,转载需获授权。
北极星电池网获悉,据滁州市人民政府发布消息,4月24日上午,星恒电源(滁州)年产4GWh锂离子电池项目开工仪式在中新苏滁高新区举行。据悉,该项目总投资18.3亿元,将于今年9月完成厂房建设,12月竣工投产,建成投产后可实现年产值约23.4亿元。
据长沙工信消息,4月18日,位于宁乡高新区的湖南阿斯米新材料有限公司自主研发的万吨级锂离子电池负极前驱体生产线正式启动,这是全球首台套万吨级锂离子电池负极前驱体连续自动化生产线。据了解,阿斯米公司投资30亿元建设锂离子电池石墨负极材料生产及相关设备制造基地项目,一期投资8亿元,设计年产
北极星储能网获悉,据延安招商局消息,4月22日,延安市首个锂离子电池储能项目在黄陵县举行签约仪式。该项目由上海润雅鸿真能源有限公司全资建设,总公司为天津润雅科技股份有限公司。本次签约项目位于黄陵县高新区技术产业园,总建设用地面积60亩,配置容量为300MW/600MWh的磷酸铁锂储能系统,配套一
近日,研究机构EVTank联合伊维经济研究院共同发布了《中国小软包锂离子电池行业发展白皮书(2024年)》。白皮书数据显示,2023年全球小软包锂离子电池出货量54.8亿只,同比下滑2.6%,已经连续两年同比下滑。EVTank表示,全球小软包电池出货量的下滑叠加价格的下跌导致整个行业的市场规模在2023年同比下
日前,合康新能在在互动平台上表示,公司目前没有研发储能锂离子电池。
天力锂能4月16日在投资者互动平台表示,公司2023年研发投入占比接近往年水平,暂未研发锂硫电池。
北极星电池网获悉,据八闽国资消息,近日,宁德70000吨锂离子电池正极材料(CD车间)项目主体结构封顶仪式顺利完成。该项目是福建省重点项目,总投资24.45亿元,主要建设C、D两幢车间及相关配套,项目建成投产后,预计可年产7万吨锂离子电池正极材料。
得益于电池技术不断提升,以及中高端新能源乘用车车型增多,新能源汽车电池包容量越做越大正成为趋势。电池中国观察到,近段时间,国内多款热门中高端新车均搭载了70kWh-150kWh带电量的“大”电池包,纯电续航里程超600公里,甚至1000公里。这意味着“大”电池包已成为中高端新车标配,(超)长续航也成
北极星电池网获悉,据贝特瑞消息,4月8日上午,贝特瑞地中海年产5万吨锂离子电池正极材料项目在摩洛哥丹吉尔科技城举行开工仪式。贝特瑞地中海公司董事长杨顺毅,贝特瑞地中海公司总经理杨平州,丹吉尔地中海港集团服务板块董事长/摩洛哥丹吉尔科技城(SATT)总经理JaafarMrhardy,SATT常务副总经理/CR
4月9日,宁德时代德国图林根工厂获得了大众汽车集团模组测试实验室及电芯测试实验室双认证,成为全球首家获得大众集团模组认证、欧洲首家获得大众集团电芯认证的电池制造商(全球首家获得大众集团电芯认证的电池制造商为宁德时代集团总部)。此次认证,是国际一流车企对宁德时代测试验证能力,以及技术
在全球绿色能源和技术的发展浪潮下,我国电源结构持续优化,可再生能源发电装机规模屡创新高。目前,我国已建成了世界上最大的清洁电力供应体系,在全球清洁能源技术价值链中发挥着核心作用。不同于传统能源的是,可再生能源存在着供应不稳定的特点。不同地区、气候下的能源供需存在巨大的差异,在传统
北极星储能网获悉,4月25日,宁德时代在北京车展上发布神行PLUS电池,该款新电池能量密度达到205Wh/kg,CLTC综合工况下续航能力达到1000公里。该款电池同样具备超快充能力,充电10分钟,续航600公里。
过去“10年来动力电池能量密度提升3倍,成本下降80%以上。”中国科学院院士欧阳明高表示。实际上,对于300Wh/kg能量密度的动力电池,行业目前已经司空见惯。国务院办公厅印发的《新能源汽车产业发展规划(2021-2035年)》指出,到2025年动力电池单体比能量达到400Wh/kg,2030年能量密度达到500Wh/kg。随
北极星电池网获悉,来自木垒县融媒体中心的消息显示,4月23日,新疆维吾尔自治区昌吉回族自治州木垒县2024年第二批重点项目集中开工。据悉,此次集中开工14个重点项目,总投资29亿元。其中年产2GWh锂电池项目开工。据了解,该项目由新疆宁迪新能源科技有限公司投建,总投资4.99亿元,项目建成后预计年
动力电池出货量同比增长19%三元动力电池市场占比超30%高工产研锂电研究所(GGII)初步调研数据显示,2024Q1中国锂电池出货量200GWh,同比增长18%。其中动力、储能电池出货量分别为149GWh、40GWh,同比分别增长19%、14%。分技术路线看,2024Q1动力三元电池出货量47GWh,在动力电池中占比32%,较2023年提
4月24日,据孚能科技消息,孚能科技超级软包解决方案SPS(SuperPouchSolution)首个量产配套车型——吉利雷达地平线正式发布。吉利雷达地平线此次推出的纯电动四轮驱动车型采用了孚能科技首个磷酸铁锂材料体系的SPS(超级磷酸铁锂系统)。这标志着孚能科技的SPS产品在性能和质量方面已经通过了客户的全
22日,全球最大的纯电动力集装箱船——“中远海运绿水01轮”首航,并在海事部门的护航下,安全抵达洋山港,今后将每周一次,固定往返于“南京——洋山”航线。“中远海运绿水01”轮总长119.8米,型宽23.6米,相当于10个标准篮球场大小。利用船电分离模式,船舶可以根据航程的需要,灵活配置20英尺标准
北极星储能网获悉,据科恒股份消息,4月19日,深圳市浩能科技有限公司与中国科学院深圳先进技术研究院(以下简称“深圳先进院”)签订“动力电池宽幅涂布机性能提升”产学研合作协议,双方将围绕动力电池涂布设备进行分析和优化,推动动力电池涂布设备性能、精度、效率的升级,助力行业发展。本次成功
北极星储能网获悉,据智己汽车消息,23日上汽集团旗下智己汽车在上海举办全球首次试驾活动。智己汽车CEO刘涛表示,第一代光年固态电池今年年内会真正实现量产上市。
电动汽车终端消费者的核心痛点已从“续航焦虑”转变为“补能焦虑”。车主对电动汽车“快速补能”的需求日益迫切。在此背景下,包括车企、头部动力电池企业以及超快充产业链相关企业已“打响”了在超快充技术领域的竞赛。尤其动力电池技术作为实现超快充至关重要的一环,截至目前,包括宁德时代、亿纬锂
近年来,储能产业高增长吸引众多玩家布局,与此同时,不少老牌动力电池供应商也开始将目光聚焦于储能领域。截至目前,宁德时代、亿纬锂能、孚能科技等多家动力电池企业均已相继切入储能赛道,谋求“动力+储能”双赛道发展。随着我国新能源发电规模快速增长,新型储能进入大规模发展期。国家能源局的数
北极星储能网讯,4月23日,湖南省人民政府印发《湖南省推动大规模设备更新和消费品以旧换新实施方案》的通知。文件强调:加快发展再制造产业。鼓励对具备条件的废旧生产设备实施再制造,再制造产品设备质量特性和安全环保性能应不低于原型新品。大力推进产业基础较好的工程机械、农用机械、轨道交通、
过去“10年来动力电池能量密度提升3倍,成本下降80%以上。”中国科学院院士欧阳明高表示。实际上,对于300Wh/kg能量密度的动力电池,行业目前已经司空见惯。国务院办公厅印发的《新能源汽车产业发展规划(2021-2035年)》指出,到2025年动力电池单体比能量达到400Wh/kg,2030年能量密度达到500Wh/kg。随
记者从中国汽车流通协会相关部门了解到,4月上半月,我国新能源乘用车零售渗透率首次突破50%。该协会的乘用车市场联席分会的数据显示,4月1日至14日,我国新能源乘用车市场零售26万辆,同比增长32%,4月上半月,新能源乘用车零售渗透率为50.39%,首次超过传统燃油乘用车。近二十年来,新能源汽车以惊人
近期,拜登政府“以威胁国家安全”的名义,宣布将调查在中国制造的电动汽车。关于中国电动车是否会窃取数据的讨论也不断增多,甚至导致当前电动车出口增速出现放缓。中国电动车真的会威胁国家安全吗?美国的调查依据是什么?中国电动汽车究竟得罪了谁?为了找到所有信息的源头,我们利用最新的大模型技
4月23日,甘肃定西安定区电动汽车充换电基础设施建设运营管理办法征求意见。其中提到,电网企业要根据电动汽车发展规划和应用推广情况,按照“适度超前”的原则,结合老旧小区改造,积极推进现有居民区(含高压自管小区)停车位的电气化改造。同时,电网企业要按照优化服务、简化手续的原则,制定充电
北极星储能网讯,4月23日,湖南省人民政府印发《湖南省推动大规模设备更新和消费品以旧换新实施方案》的通知。文件强调:加快发展再制造产业。鼓励对具备条件的废旧生产设备实施再制造,再制造产品设备质量特性和安全环保性能应不低于原型新品。大力推进产业基础较好的工程机械、农用机械、轨道交通、
北极星储能网获悉,据中国汽研消息,4月18日,由中国汽车工程研究院股份有限公司(以下简称“中国汽研”)与中国标准化研究院牵头的《电动汽车充电桩能效限定值及能效等级》强制性国家标准起草工作启动会在中国汽研礼嘉本部顺利召开。多位行业领导专家及华南理工大学、北京理工大学专家学者等共70余人
据中国汽车工业协会分析,春节后,企业生产经营活动加快,制造业景气面明显扩大、重返扩张区间,市场预期继续向好。一季度,汽车行业经济运行起步平稳,实现良好开局。具体来看,汽车产销呈现较快增长,乘用车和商用车均有良好表现;新能源汽车延续快速增长势头,市场占有率稳定在30%;整车出口依然保
北极星储能网获悉,4月18日,360创始人、董事长周鸿祎更新个人微博,称“做了一个艰难的决定,我要把陪伴我9年的迈巴赫600给卖掉。”随后,他解释道:“这是因为我需要体验新一代车的感觉。古人说要‘破釜沉舟’,所以我就把这车卖掉,放弃传统意义的豪华车,换上国产新能源智能网联车。”同时他还表示
北极星储能网获悉,4月15日,工信部发布《减免车辆购置税的新能源汽车车型目录》(第四批)公告,在《减免车辆购置税的新能源汽车车型目录》(第四批)中,小米SU7、比亚迪海豹、智界S7等均列入新车型纯电动汽车乘用车车型名单。减免车辆购置税的新能源汽车车型目录(第四批)纯电动汽车-乘用车车型如
4月15日,新能源汽车在充电站充电。日前,位于福建省福州市鼓楼区乌山西路的福州首座AI微网超充站投入运营。这座AI微网超充站集光伏、储能、大功率超充、V2G(车网互动)反向放电、电池检测、AI无人值守于一体,电动汽车用户在此可感受前沿科技带来的新奇体验。
北极星储能网获悉,3月27日,商务部等14部门发布关于印发《推动消费品以旧换新行动方案》(以下简称《方案》)的通知。《方案》指出,支持新能源二手车动力电池检测和估值平台建设,引导二手车经销企业提供并展示车辆状况表,明示车辆基本信息、重要配置、价格等内容。推动汽车流通消费创新发展。开展
请使用微信扫一扫
关注公众号完成登录
姓名: | |
性别: | |
出生日期: | |
邮箱: | |
所在地区: | |
行业类别: | |
工作经验: | |
学历: | |
公司名称: | |
任职岗位: |
我们将会第一时间为您推送相关内容!