汽車800V超充技術(shù)(三)—4C電池

作者 / 阿寶，出品 / 阿寶1990

汽車800V超充技術(shù)(一)—市場&車廠布局

汽車800V超充技術(shù)(二)—800V超充架構(gòu)

2023年8月16日，寧德時代發(fā)布“神行”超充電池新品發(fā)布會，是全球首款磷酸鐵鋰4c超充電池。為了解決電動車用戶群體從先鋒用戶走向大眾用戶，以及需求從續(xù)航里程轉(zhuǎn)向補能效率，新產(chǎn)品的定位為實現(xiàn)普通大眾的快速補能。

作為全球首款磷酸鐵鋰4c超充電池，充電10min，神行800里（400km）。低溫性能方面，-10℃下實現(xiàn)30分鐘充電80%SOC；續(xù)航里程達到700km，實現(xiàn)超長續(xù)航。

首先科普下概念，何為4C？

充電倍率指電池在規(guī)定的時間充電至其額定容量時所需要的電流值。對于動力電池，快充的平均充電倍率一般需達到 1C 或以上。電池的充放電倍率一般由 nC（Capacity）表示， nC 代表一小時充電時間能夠充滿 n 倍電池總電量，倍率值 n 越大充滿電的時間越短。1C 指的是，如果電池容量是 100Ah，充電電流 100A，就是 1C 充電倍率。100Ah 的電池，若能一直以 1C 充電，理論上可以 1 小時充滿。4C 指的是，電池在四分之一個小時（15 分鐘）內(nèi)充滿。

充電效率對照

但對行業(yè)稍有了解的朋友們應(yīng)該都知道，電池快充的難點是平衡高能量密度和倍率性能，同時高倍率會帶來更為嚴重的析鋰副反應(yīng)和產(chǎn)熱效應(yīng)，總成電池的安全性能降低。以寧德時代的“神行”超充電池為例，為了解決這一問題，電池材料做了哪些升級，接下來簡單介紹下。

一、負極：快充關(guān)鍵破局點，包覆與梯度分層極片設(shè)計

負極：快充主要限制因素，表面析鋰+體相擴散

負極為快充主要限制因素。 由于動力學(xué)條件相對比較差， 因此在快速充電的過程中容易發(fā)生表面析鋰的反應(yīng)， 進而減少負極可供Li嵌入的有效面積， 一方面降低電池容量、 增加內(nèi)容、 減少壽命， 另一方面界面晶體生長， 影響安全性。

石墨層狀結(jié)構(gòu)決定了鋰離子必須從材料的端面嵌入，并逐漸擴散至顆粒內(nèi)部，導(dǎo)致擴散路徑較長，快充性能不佳。

負極：包覆與梯度分層極片構(gòu)建快離子環(huán) ?

從理論角度上來看，增強石墨的快充能力有以下兩種策略：強化單一相擴散，指強化鋰離子在石墨顆粒內(nèi)部或在電解液中的擴散能力；增強界面動力學(xué)，指加速鋰離子的去溶劑化，提高鋰離子在固體電解質(zhì)界面(SEI)膜的遷移能力。

寧德時代提出二代快離子環(huán)技術(shù)，對石墨表面改性（修飾多孔包覆層），為電流傳導(dǎo)搭建高速公路。另外，多梯度分層極片設(shè)計，實現(xiàn)快充與續(xù)航的平衡。

負極：造粒/二次造粒影響快充性能

造粒影響石墨顆粒的大小、 分布和形貌， 從而影響倍率性能等。

小顆粒石油焦、 針狀焦通過二次造粒得到較大粒度產(chǎn)品， 與同粒度產(chǎn)品相比， 能有效 縮短鋰離子的擴散路徑， 提高倍率性能， 同時也能提高材料的高低溫性能和循環(huán)性能。

負極：硅負極是面向快充的更好選擇

硅負極可從各個方向提供鋰離子嵌入和脫出的通道，而石墨只能從層狀端面方向提供，因此硅負極是面向快充的好選擇。

硅碳復(fù)合（Si-CNTs）提供了解決硅負極體積膨脹、電子傳輸緩慢問題的有效途徑；與純硅相比，硅碳復(fù)合增加了負極的快充能力。然而，復(fù)合材料的使用仍然受到能量密度和高制造成本的阻礙。

鈦酸鋰、鋰鈮鎢氧化物的摻雜同樣可以在一定程度上實現(xiàn)快充性能的提高。

二、隔膜：高孔隙度隔膜

隔膜：高孔隙度隔膜 ?

隔膜性能直接影響鋰離子擴散速度、電解液的保持性、體系內(nèi)阻和界面結(jié)構(gòu)的組成，從而對電池快充性能產(chǎn)生影響。

寧德時代為實現(xiàn)4C快充，在隔膜端改善隔離膜高孔隙率、低迂曲度孔道、鋰離子液相傳輸速率。

三、電解液：溶劑化的調(diào)控、高導(dǎo)率的追求

電解液：溶劑化結(jié)構(gòu)調(diào)控抑制共嵌

對石墨負極而言，在常規(guī)的低濃度電解液中，鋰離子被大量溶劑溶解，形成鋰離子溶劑化鞘層。當(dāng)鋰離子嵌入石墨陽極時，溶劑分子在石墨的夾層中發(fā)生共嵌入。調(diào)節(jié)鋰離子的溶劑化結(jié)構(gòu)，有效抑制溶劑分子共嵌入，是提高石墨的快充性能的一種有效策略。

2023年7月“2023中國汽車論壇第五屆全球汽車技術(shù)發(fā)展領(lǐng)袖峰會”上，寧德時代首席科學(xué)家吳凱稱，電解液在降低粘度方面取得了突破，重點攻克了導(dǎo)電率，并且研發(fā)了一些新的添加劑。

電解液：高電導(dǎo)率鋰鹽利于快充

在以酯類有機物為溶劑(碳酸乙烯酯/碳酸甲乙酯)(EC/EMC)的常規(guī)電解液中， 含雙氟磺酰亞胺鋰鹽(LiFSI)的電解液具有比含其他鋰鹽(LiFSI > LiPF6 LiTFSI> LiClO4 LiBF4)電解液更高的電導(dǎo)率，因此利于快充。

得益于不同鋰鹽間的協(xié)同效應(yīng)，采用鋰鹽混合物作為電解質(zhì)也能改善石墨的快充能力。例如，在LiPF6基電解液中添加少量雙草酸硼酸鋰(LiBOB)，可以建立更為穩(wěn)定的SEI膜，從而極大改善石墨負極的倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性。

四、正極：導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建是核心

正極：磷酸鐵鋰導(dǎo)電性較差， 快充易發(fā)熱

磷酸鐵鋰導(dǎo)電性較差，構(gòu)建超電子網(wǎng)絡(luò)是核心。2023年8月16日，寧德時代“神行”超充電池發(fā)布會強調(diào)為磷酸鐵鋰正極搭建超電子網(wǎng)，提高鋰離子脫出效率。

電池BMS與熱管理要求提升：2018年電動汽車大功率充電試點專題研討會上，寧德時代展示了自加熱技術(shù)通過BMS電池管理系統(tǒng)識別電池狀態(tài)，擬定速熱控制策略，能使電池溫度在15分鐘內(nèi)從-20℃提升到10℃，充電能力提高5倍，放電能力提高7倍。

正極：單晶不利，多晶占優(yōu)；高鎳不利，低鎳占優(yōu)

三元材料中，正極的鎳含量越高，在循環(huán)過程中越容易出現(xiàn)體積膨脹的現(xiàn)象，其顆粒粒徑會隨著循環(huán)逐漸增大，而快充性能與正極顆粒粒徑直接相關(guān)，因此高鎳的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性不足以支撐其快充。

多晶的快充性能相較單晶會更好。單晶的燒制溫度高，顆粒粒徑大，多晶的一次顆粒粒徑小于單晶，因此快充性能更好。

正極：面密度/壓實密度影響快充性能 ?

面密度和壓實密度的差異影響鋰離子傳輸途徑，使得正極極片的電阻不同，從而影響到鋰離子電池在大電流充電下的性能。

壓實密度越小，在充放電循環(huán)中電池內(nèi)阻增加較大， 隨著壓實密度增加，電池初始電阻越小， 大電流充電后電池內(nèi)阻增加較??；但壓實過大時，材料對電解液的浸潤能力較弱，接觸內(nèi)阻增大，反而產(chǎn)生了負面影響。

正極：快充影響導(dǎo)電劑含量/種類的選擇 ?

正極導(dǎo)電劑含量是影響電池高倍率放電性能的關(guān)鍵因素之一。正極中導(dǎo)電劑含量不足，大倍率放電時電子不能及時有效地轉(zhuǎn)移，活性物質(zhì)之間極化內(nèi)阻迅速增大，致使電池的電壓迅速下降至放電截止電壓。

電池快充或要求更高含量的正極導(dǎo)電劑或更完整的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)（可選擇碳納米管構(gòu)筑）。

總而言之，此次寧德時代磷酸鐵鋰4C快充技術(shù)的出現(xiàn)，不僅能為其企業(yè)經(jīng)營帶來積極效應(yīng)，也是一次產(chǎn)業(yè)鏈的全面提升，也許會影響到未來純電汽車的造車思路。

但目前來看也不是萬事大吉，雖然充電速度是解決了，但補能設(shè)施又成了另一個問題。畢竟能支撐4C快充電池功率的充電站可謂是鳳毛麟角，如果采用液冷超充站，不僅如今覆蓋范圍不大，建設(shè)成本還是原有充電站的兩倍。

其中還有各品牌電池的協(xié)議問題，要不然換了一輛同樣搭載4C電池的車型結(jié)果充不了，那也白搭。并且電網(wǎng)需要配儲能來支撐多充電樁高倍率同時充電，這也并非汽車行業(yè)幾家品牌就能解決的項目，還需要大量的時間和精力去不斷完善。

只不過我們不得不承認，4C超充電池的出現(xiàn)加快了新能源汽車真正取代燃油車的進程，如果未來純電動力車型補能過程真能做到5分鐘以內(nèi)，不存在續(xù)航焦慮，那也就意味著行業(yè)徹底進化升級了。