快充類負極材料的研究探討
圖為貝特瑞技術(shù)總監(jiān)閆慧青做會議演講
為了幫助企業(yè)客觀分析2016年動力電池行業(yè)運行情況，正確把握行業(yè)發(fā)展趨勢，加大動力及儲能電池的開發(fā)應(yīng)用，由中國化學與物理電源行業(yè)協(xié)會和電池中國網(wǎng)聯(lián)合主辦，雙登集團股份有限公司、壹能（北京）網(wǎng)絡(luò)科技有限公司共同承辦的“2016年第五屆中國電池市場年會暨2016年第一屆動力電池應(yīng)用國際峰會、2016年第二屆中國電池行業(yè)智能制造研討會”于11月14日在北京拉開帷幕。本次年會聚集了來自政府主管部門領(lǐng)導(dǎo)、知名科研機構(gòu)專家、新能源汽車動力電池產(chǎn)業(yè)鏈上中下游的企業(yè)家、投資機構(gòu)代表以及媒體記者等500多人參會。
在本次會議上，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《快充類負極材料的研究探討》的專題報告，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)，各位來賓，各位代表，我們行業(yè)專家們，大家下午好！我是來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“快充類負極材料的研究探討。”
講到快充的時候，很多人都聽到過幾個廣告語“充電5分鐘，通話2小時”，我們特斯拉是“充電40分鐘，SOC 80%”，這“OPPO對陣特斯拉，誰決定快充技術(shù)的未來？”我們不說誰決定技術(shù)的未來，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)注的焦點之一。
中國電動汽車增量今天很多專家都已經(jīng)講過，我們這里統(tǒng)計2015年的鋰電達沃斯的研究和數(shù)據(jù)來看，2010年和2016年增長是很大的，我們快充的電動汽車會有上升的比例，我們預(yù)計不了這個量多大。提到快充，我們到底希望的目標是什么，這個是兩年前特斯拉的一個技術(shù)老總提出來的，說我們在燃油車的時候，可能加油只需要2分鐘可以搞定，我們的電動車在家里充電可能是6—8個小時，所以在2年前他也提出15分鐘內(nèi)要把電動車充好，我們整體的目標也是希望，作為消費者也是這樣需求，充電時間一定要接近加油時間，這樣我們用起來更方便，所以他提出的充電時間在15分鐘以內(nèi)。
我們貝特瑞作為電池材料的一個主要開發(fā)廠商，我們能對快充做些什么呢，我們希望能提供一個有利的材料保障，這個我們內(nèi)部叫“E&G的追夢工程”，我們希望通過我們的材料開發(fā)為快充型的電動車起到促進作用，所以我們開發(fā)的有正極、負極的黏結(jié)劑的導(dǎo)電材的，今天講的是負極的，其他方面會后可以溝通。我們最終想實現(xiàn)的目標是什么呢？就是充電時間能接近我們的加油時間，最好在10分鐘以內(nèi)，同時能讓我們的車續(xù)航里程達到500公里以上，性價比與燃油車等同，當然這個是我們的目標，我們要逐漸的接近這個目標。作為快充類的負極材料我們要解決哪些問題看看能應(yīng)用呢？第一，我們要逐漸縮短它的充電時候，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，就是擔心負極界面會析鋰，所以是作為很重要的方面研究，改善負極界面，提升安全性能。第四，也是關(guān)注的焦點，需要持續(xù)的降低成本。
貝特瑞快充負極材料做了哪些開發(fā)呢？我們是做了四個材料的，當然四個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，快充石墨類的快充材料。第二個是快充軟碳、硬碳的材料。第三個，快充的硅系列的材料，當然硅系列的快充沒有前兩個性能好，第一是在2C以內(nèi)的，其他更高一些。第四個，快充碳酸鋰的負極材料，這個倍率更大。
第一個，快充的石墨負極材料。石墨負極材料解決什么問題？快充的時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題，我們電化學體系里面要解決三個極化問題來改善它的快充。我們的負極材料呢？因為整體是在電池里，是處于負電類的那一端、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，一個是電解液，一個是急流體。負極材料跟電解液接觸，希望能改善他的析液性能，提升浸潤，跟極流體接觸，希望高電子電導(dǎo)，同時多點接觸粘接力。同時我們石墨類材料要解決的問題，是鋰離子的嵌入，需要及時補充鋰離子，另外快速的及時的嵌入。我們作為負極材料要解決的就是，實現(xiàn)高的擴散系數(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來看，就要實現(xiàn)間距大、顆粒要小、同時結(jié)構(gòu)控制好。
我們整體快充石墨負極材料的開發(fā)思路，已經(jīng)不是簡單的石墨結(jié)構(gòu)了，我們做的一個整體的結(jié)構(gòu)構(gòu)建，其實總體來講是一個梯度碳的結(jié)構(gòu)，一個是梯度碳，一個是梯度內(nèi)部的結(jié)晶度，這塊引用了一個內(nèi)部的硬碳結(jié)構(gòu)，另外就是摻雜改性、SEI膜改善等整體幾個加起來開發(fā)的材料，這個材料我們開發(fā)的第一代產(chǎn)品是BFC—10和BFC—18，這是相關(guān)指標，同時我們也在開發(fā)極限石墨，那個沒有放上來，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是10分鐘的，就是6C的CC充，10分鐘能沖進去82.5%的SOC，這兩個都基本是在8%是2點多。而且在倍率循環(huán)，這里左邊那個圖6C充、1C放，我們評測800周BF—10能做到1000周，客戶評價比我們循環(huán)數(shù)據(jù)好1.5倍的都有，我們沒有放上來。前面是快充石墨類的，第二大類型類是快充軟（硬）碳的負極材料。軟（硬）碳碳的結(jié)構(gòu)很利于快充，但是有很多優(yōu)勢，高倍率、高安全、長壽命、耐低溫的特性，但是也存在一些問題，能量密度比較低、首次效率比較低，所以我們要解決的問題就是要提升能量密度、提升首效。采用的思路，進行一些表面的修飾，減少負反應(yīng)，同時要進行摻雜，提高儲量的容量，提高首效。
這個是我們開發(fā)的軟碳和硬碳的材料，第一個是硬碳的，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，容量基本達標了，效率給到85%，所以要繼續(xù)提升1—2個點。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？就是這個平臺，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充電的時候，左邊那個圖，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，等一下有一個對比圖。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)合負極材料，跟石墨進行復(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，左邊這個可以看出來，經(jīng)過復(fù)合石墨的電壓平臺會有一個上升，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，純的石墨SOC上升的同時電壓上升也是很快的，但是硬碳就相對平緩一些。
第三類，快充硅碳的，其實硅碳跟其他幾個比，它的快充沒那么好，但是因為我們后期都希望縮短時間，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切面，可以看出來這些是硅的、這些是石墨，表面還有一層碳，最終實現(xiàn)容量1300，效率86.5。我們做了一些評測，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)，在無人機也有在評測。
第四類，快充負極材料是鈦酸鋰，我們都知道離子擴散系數(shù)極會比石墨高一個數(shù)量級，同時充放電體積膨脹是沒有的，因為這個特性所以對快充是非常有利的。但是存在一些問題就是，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題，提升能量密度、改善加工、提升功率密度，同時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，這個是第一代和第二代的相關(guān)指標，第二代的產(chǎn)品就是這個球形的，也是為了提升能量密度制作的。我們對鈦酸鋰的倍率充電進行評測，這是一個充電圖，我們看出來鈦酸鋰恒流充電的時候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，第二代的鈦酸鋰評測倍率充電的話，這是我們一個客戶的反饋，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，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，但是對于國家我們規(guī)定的路線，到2020年、2025年實現(xiàn)的高能量密度快充怎么做，我們探討是快充類負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)合性的負極材料，因為我們看了前面四種快充類的材料各有優(yōu)劣勢，所以想開發(fā)出一款復(fù)合形的高能量密度的負極材料，經(jīng)過我們電池廠和車長的緊密合作能夠做到300Wh/kg，續(xù)航里程500公里，這樣一個工程，也希望我們在材料方面能給電池廠和車廠做一個貢獻。
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