充电5分钟,续航两三百公里 新能源车高速排队充电问题有解了?

近年来,随着新能源车渗透率的提升,节假日高速服务区排队现象也越来越严重。而快充技术的提升,将大幅改善新能源车主的充电体验。

目前,很多快充技术仍停留在充电5分钟,续航100公里的水平上。9月25日,上汽通用汽车宣布,其携手宁德时代共同推出6C(倍率)超快充磷酸铁锂电池,充电5分钟,续航可增加200公里以上,并于明年起在准900V高压电池架构投入使用。

据报道,辉能科技近日在巴黎车展期间首次展出“100%复合硅阳极”(即硅负极)电池系统,公司还称其充电5分钟可续航约300公里。

充电5分钟,从续航100公里到200公里,再到300公里,未来电车或将与油车一样方便地补能。

如何做到快充?

从上汽通用的描述看,其与宁德时代共同推出的6C电池,或仍属于石墨负极体系。上汽通用称,使用“第二代石墨快离子环技术”,搭配多梯度分层极片,搭建起电流传导的“高速公路”,显著缩短充放电时间,实现更高的能量密度和更高的循环稳定性。

相比之下,辉能科技则使用硅基负极体系。目前,硅基负极主要分硅碳负极、硅氧负极。对于辉能科技使用何种材料体系,《每日经济新闻》记者采访了 TrendForce集邦咨询分析师曾佑鹏,其表示:“辉能推出的100%硅负极并非纯硅,是高容量(2100~3100 mAh/g)的硅氧体系复合材料。”

辉能科技官网显示,具体而言,其硅复合负极电池充电5分钟可续航约300公里,相较业界快充标准(30分钟),缩短了83.3%的充电等待时间,提升了充电周转率,解决了充电站不足与充电时间过长的困境。

该电池体积能量密度达到749 Wh/L,重量能量密度则达到321 Wh/kg。公司称,根据德国莱茵实验室的测试数据,该电池系统能在充电5分钟内,从5%电量充至60%,充电8.5分钟则可达到80%。

不过,辉能未说明该电池何时量产。对此,10月21日,《每日经济新闻》记者试图通过邮件的方式联系辉能科技,但并未成功。

对于硅基材料为何快充性能如此优异,曾佑鹏告诉记者:“硅基负极适用快充,主要与其储锂机理有关,传统石墨材料主要是通过扩散嵌锂提供容量,石墨材料为层状结构,充电时发生插层反应,锂离子必须从材料的端面嵌入并扩散至颗粒内部,导致传输路径较长,嵌锂过程较慢,限制了其快充性能。”

“而硅基负极主要是通过扩散+合金化反应提供容量,首先硅材料可从各个方向提供‘Li+’(锂阳离子)扩散的通道,且Li+与硅的合金化和去合金化反应过程较石墨材料中Li+扩散脱嵌锂的反应动力学过程更快,因此可提升电池的快充速度。”曾佑鹏补充表示。

硅基材料量产进度几何?

既然硅基负极材料的快充性能如此优异,为何目前仍没有大规模应用?硅基负极材料又存在哪些问题?

对此,沙利文大中华区执行总监向威力认为存在体积膨胀、电导率降低以及内部应力这三大问题。

向威力回复《每日经济新闻》记者称:“硅作为电池负极时,在充电时会经历显著的体积膨胀(最高可达300%),这可能导致电池材料的结构破坏,影响循环稳定性和电池寿命;膨胀和收缩会导致活性材料的电导率降低,从而影响电池的整体性能和充放电效率;重复的膨胀和收缩会导致电池内部产生应力,从而可能导致电极的剥离或裂纹,增加安全隐患。在极端情况下,由于硅材料的膨胀,可能导致电池内部短路或热失控,从而影响电池的安全性。这种现象在极端情况下可能导致起火或爆炸。”

曾佑鹏也认为:“由于体积变化大,硅基负极在充放电过程中,固体电解质界面膜(SEI)会不断形成和破坏,SEI膜的反复形成和破坏,将造成电池容量衰减快,循环寿命短。”

那么,硅的体积膨胀与收缩,又该如何解决呢?

曾佑鹏认为:“一方面可通过纳米结构设计来减轻硅的体积膨胀,如使用硅纳米颗粒、硅纳米线和硅纳米片等纳米结构材料;另一方面是通过引入碳基材料来改善硅基负极材料的性能,包括设计核壳结构、蛋黄结构、多孔型结构和嵌入型结构的硅碳复合材料。”

可以看出,硅基负极材料存在的问题,也有明确的解决方案。当下,硅基负极材料体系的电池,量产进度又如何呢?

向威力介绍:“国内企业的硅材料电池系统主要集中在硅碳复合、硅氧复合等负极材料技术方面的量产。国内硅材料电池系统的出货量呈现快速增长并逐渐商业化的态势,核心企业主要包含贝特瑞、杉杉股份、璞泰来等,致力于产业链的技术研发、产能扩张、制造等方面。”

其举例称,贝特瑞是国内最早量产硅基负极材料的企业之一,其中硅碳负极材料已经开发至第五代产品,比容量达2000mAh/g以上,截至2023年末,硅基负极材料产能达5000吨/年。

杉杉股份早前曾在互动平台上、公告中表示,公司突破了硅基负极材料前驱体的批量合成核心技术、预锂化硅材料嵌入均匀性方面的技术瓶颈。公司已领先布局宁波 4万吨一体化硅基负极产能基地,其中一期产能建设中,预计 2024 年年底“投试产”。

璞泰来于2023年7月设立“安徽紫宸”,启动年产1.2万吨硅基负极材料(单体)的项目建设,计划2025年开始逐步分期投产。

向威力总结称,目前国内外有超40家厂商布局硅材料电池系统,行业进入商业化量产阶段。