快充技术 | 五类快充负极材料分析

2022-07-29 08:59:50 来源：粉体网

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简介：随着动力电池（锂离子电池负极材料技术与设备研讨会）技术的进步，新能源汽车的续航里程有了很大提升，续航焦虑问题日渐缓解。除了续航外，充电焦虑是新能源汽车需要面对的另一个问题，充电效率的高低直接影响到用车体验。

制约新能源汽车发展的两个重要因素：续航和充电问题，也是大众普遍关注的问题。

随着动力电池（锂离子电池负极材料技术与设备研讨会）技术的进步，新能源汽车的续航里程有了很大提升，续航焦虑问题日渐缓解。除了续航外，充电焦虑是新能源汽车需要面对的另一个问题，充电效率的高低直接影响到用车体验。

缩短充电时间是提升新能源汽车品牌力和使用体验的关键之一。有分析认为，随着新能源汽车渗透率的快速提升，车企的竞争更加深化和多元，快充技术的进步、补能效率的提升也成为新能源汽车产业链的下一个风口。

1、什么是快充？

新能源汽车充电分为交流慢充和直流快充，要想实现“快充”需依赖直流快充，决定充电速率的指标是充电功率。行业对大功率充电没有明确规定，属于较宽泛的行业术语，一般而言，125kW以上的充电功率为大功率。

动力电池快充就是运用大功率充电，市场领先的动力电池包已经能够支持2C充电倍率（充电倍率是充电快慢的一种量度，充电倍率=充电电流/电池额定容量）。通俗来讲，1C充电可在60min将电池系统电量充满，4C代表15min可将电量充满。充放电倍率决定了电芯的脱嵌锂反应的速率，同时也会伴随不同程度的产热或析锂，倍率越高析锂和产热越严重。

2、负极是快充电池的决定因素

快充电池需要在电池材料上做出改变和升级，提升电池的快充性能类似木桶效应，短板在负极，它是电池充电倍率的决定因素。

负极对快充的影响强于正极。多项研究表明，正极的降解和正极CEI膜的增长对传统锂离子电池的快充没有影响。影响锂沉积和沉积结构（析锂）的因素包括：

①锂离子在负极内的扩散速率；②负极界面处电解质的浓度梯度；③电极/电解质界面的副反应。

3、快充类负极材料有哪些？

①石墨材料

石墨负极是目前锂离子电池市场应用最多的负极材料，但是石墨材料较慢的嵌锂过程阻碍了锂离子电池的快充应用。石墨负极存在析锂问题，会影响动力电池的使用寿命，同时析出的锂金属会以枝晶的形式生长，容易刺穿隔膜，引发电池内部短路，造成严重的安全问题。

针对石墨负极存在的问题，可以通过石墨改性、表面氧化、改善电解液润湿性、改善SEI膜等策略提升石墨负极的快充性能。

②硅基材料

硅的电压平台比石墨高，充电时析锂的可能性不大，安全性能上较石墨有很大优势。硅是地壳中丰度最高的元素之一，来源广泛，价格便宜。但是在充放电过程中，硅的体积会膨胀100%-300%，体积的巨大变化会造成硅基负极材料的粉末化，严重影响电池寿命。

硅氧、硅碳负极材料通过纳米化、线性化、壳核化、微孔化等策略进行处理，具有优良的高倍率性能，能够满足快充需要。

③硬碳材料

硬碳材料内部为较大的层间距和随机排列的晶体结构，Li+在硬碳中的扩散系数显著高于石墨材料，适合作为快充和功率型电池的负极材料。硬碳材料具有很高的锂插入潜力，材料中具有微孔，且与电解液兼容性好，因此反应动力学性能良好。硬碳材料有很多优势，比如高倍率、高安全、长寿命、耐低温等。但是硬碳材料也存在成本高、能量密度低、首次效率低等问题。

硬碳作为快充材料，其电压平台利于Li+快速嵌入，不容易析锂，安全性能好。硬碳材料可以采用表面修饰，减少副反应，提升首效；同时进行掺杂，提升能量密度。

④钛酸锂材料

钛酸锂是一种具有尖晶石结构的复合氧化物，具有三维锂离子扩散通道，有利于Li+在其中快速迁移，离子扩散系数比石墨高一个数量级，电化学反应速度快，大大缩短了充电时间。比如珠海银隆钛酸锂电池采用钛酸锂代替石墨作为负极，实现了电池快充和超长寿命。

⑤铝基材料

某研究院日前报道了最新的铝基复合负极材料成果。铝箔既是负极又是集流体，锂离子运动到铝箔负极表面，可以快速形成铝锂合金；在放电时，锂离子可以轻松地从铝锂合金中脱出，具备快充的先天优势。据报道，该成果的电池产品20分钟即可充满电。如果将复合铝箔作为快充负极，其在成本控制、规模化稳定制备等方面具有很大优势。

随着锂电技术（锂离子电池负极材料技术与设备研讨会）的快速发展，电池的能量密度已经得到了极大提升，同时动力电池市场对于缩短充电时间的需求也在不断增加，快充技术成为近年来锂电技术发展的重要趋势。随着电池材料的不断完善，快充或成为新能源汽车领域新的角逐地，未来快充技术的应用也将更加广泛。