1000公里/8分鐘快充?廣汽石墨烯電池風波背后

2021-01-21 05:32:46 作者:趙信杰

  【太平洋汽車網 技術頻道】近日中國電動汽車百人論壇上,廣汽埃安發布的兩款超級電池中,1000公里和8分鐘充滿80%突然就成為了熱議詞匯。但是既能長續航、又能充電快的電池誰不想要呢?所以就有必要跟大家講清楚,廣汽埃安發布的石墨烯電池和硅負極電池到底是怎么回事,它們和“充電快”、“長續航”究竟有多大關系。

電池長續航和快充是騙人?

       廣汽研究超級電池已經有一段時間了,最早是從3年前就已經進行深入研究。去年9月,廣汽還聯合投資合伙人成立了巨灣技研有限公司,專門負責超級快充電池的量產和應用。這是“超級快充電池”這個名詞首次出現在與廣汽相關的新聞上。其經營范圍包括石墨及碳素制品銷售、石墨烯材料銷售、新型陶瓷材料銷售和電池銷售等。其中廣汽集團持股22.52%,原廣汽集團副總經理、廣汽研究院首任院長黃向東將任職新公司董事長。

 

  1月15日,廣汽埃安官微發布了全新動力電池科技預告,表示石墨烯基超級快充電池可在8分鐘充滿80%,讓充電像加油一樣便捷;同時硅負極電池讓電動車NEDC續航達1000公里,并即將量產搭配。受此消息影響,當日廣汽集團A股漲停,H股漲近20%。

  然而,僅僅一天以后,這一技術疑似遭到中科院院士的質疑。1月16日,中國科學院院士、中國電動汽車百人會副理事長歐陽明高在中國電動汽車百人會論壇(2021)的演講中講到:“如果有人說,他的電動車既能跑1000公里,又能幾分鐘充完電,而且還特別的安全、成本還非常低,大家不用相信,因為這在目前是不可能同時達到的,這方面近年來沒有大的突破。”

  歐陽明高的這番講話,也讓廣汽埃安的電池新技術受到了廣泛的質疑。對此,1月17日,廣汽埃安總經理古惠南回應稱,“不要把技術問題和推廣運營的問題混為一談”,隨后還稱“今年1000公里續航的車肯定要出來,快充也是肯定要出的,8分鐘充滿1000公里,理論上是可以的。”

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  1月18日晚間,廣汽集團發布的公告顯示,石墨烯基超級快充電池與長續航硅負極電池是兩種不同的電池技術。目前這兩種電池已按計劃開展實車測試,并預計于本年內分別搭載在廣汽埃安現有Aion V詢底價|查參配) 和 AION LX 車型上。

石墨烯電池 只是電極用上了石墨烯?

  石墨我們見得多了,作為碳單質的一種同素異構體,石墨的晶體結構非常特殊。

  6個碳原子組成一個正六邊形的環向外延伸,就成為了石墨的單層結構,而層與層之間通過距離較遠的離域π鍵連接。這就使得石墨晶體各層之間可以發生滑動,制備僅具有一層原子結構的石墨便成為了可能,這就是石墨烯的由來。

       制備出來的石墨烯,由于原有的π鍵不復存在,二維單層結構的上下兩面均可用于吸附電池中的鋰離子,擴增儲鋰容量,可達石墨的兩倍,且其無規則排列增加的微孔也可增強儲鋰量,進一步提升充電速度。除此之外,石墨烯的力學強度,電荷遷移率、導電率等性能較優,特有高柔韌性及長徑,也讓其具備作為鋰離子電池負極材料的潛能。

  但石墨烯的制備說起來容易做起來難。石墨烯在電池中最怕的就是發生團聚和堆疊現象,單層的石墨烯很容易因為π鍵的存在發生吸引,從而變回多層的普通石墨結構。所以為了避免團聚和堆疊的情況發生,石墨烯大多使用還原氧化法和液相剝離法進行制備。

  石墨烯用作負極材料,單獨使用卻并不劃算,因為其微米級的團聚效應,電化學性能其實是受到抑制的。所以為了能充分發揮其電化學性能,一般會將其與其他材料復合使用,比如普通石墨。而且石墨/石墨烯復合電極材料中,石墨烯在其中的配比也不是越多越好。石墨烯材料占比的增加雖可提升放電比容量,但在增加到一定程度后,其循環性能和電荷轉移阻抗性能則會出現下降,這對于電池的耐用性會造成不小的影響,成本也會相應增加。

  但廣汽埃安這次所發布的石墨烯電池,是將石墨烯與鎳鈷錳酸鋰三正極材料混合制成。這個就和將石墨烯復合材料用于負極的原理有少許差異。廣汽埃安的三維石墨烯,是一個近似球面的結構,它能很好地與三元正極分子結合,增大相互之間傳遞電荷的面積。從而提升電荷傳遞效率,將充電速度加快至8分鐘充滿80%。這款電池將搭載在Aion V上,續航里程可達500km。

硅負極最大的難度在于控制

  同樣是三元鋰離子電池,相比上文所述的石墨烯負極材料鋰離子電池,使用硅作為負極材料的鋰離子在提高電池的能量密度上具有更好的前景。所以硅負極材料電池主要解決電池的容量問題,和石墨烯電池解決充電速度問題是完全不同的兩碼事。

  首先,硅具有較低的氧化還原電位,可以滿足鋰離子電池較高的輸出電壓,同時其可逆容量較大,這就能給予鋰離子電池極高的能量密度(理論極限為4200mAh/g)。但最致命的是,硅負極材料具有極高的體積膨脹率(高達300%),在充放電的過程中會不斷出現粉化和脫落的現象,硅粒子會失去活性。

  同時,硅粒子破裂也會導致活性粒子與集流體間電接觸不良形成“孤島效應”,斷裂面反復形成新的SEI膜,造成不可逆的容量損失。再者,硅作為半導體,其較低的電導率也會影響其性能。

  所以在實際應用過程中,硅一般會和碳等材料共同制成復合材料電極,同時該電極的分子幾何結構也非常復雜,這么做最重要的目的,還是為硅的體積膨脹提供緩沖空間,以減緩電極反應時界面應力變化,抑制電極粉化;保持活性硅納米粒子之間以及其與集流體之間有良好的電接觸和優異的鋰離子、電子傳輸;阻止納米硅粒子的團聚。

  但是要讓硅負極電池真正發揮作用,恐怕還不止是換個電極那么簡單。

  硅負極電池要發揮最佳的狀態,必須要對電解液進行適當的改造,以減少鋰離子的消耗,同時保證硅負極的穩定性和SEI膜的成膜性。目前在實驗室中,常用的電解質為聚合物電解質,而在其中添加VC添加劑或FEC添加劑能使得電極上的SEI膜更加致密,同時將硅負極的體積膨脹率控制在70%以內。

  廣汽埃安對此提出的解決方案則非常有創造性。他們使用了硅顆粒和多孔碳,讓硅顆粒隱藏在多孔碳的孔洞中,這樣硅顆粒在充放電的過程中有足夠的空間進行膨脹,避免對硅負極的整體結構造成破壞。同時,廣汽埃安還往硅負極中加入了碳化聚丙烯腈,使得碳化聚丙烯腈中的氮原子和與硅顆粒形成較為穩固的導電網絡。

9月量產能做到嗎?

       廣汽研究超級電池已經有一段時間了,最早是從3年前就已經進行深入研究。去年9月,廣汽還聯合投資合伙人成立了巨灣技研有限公司,專門負責超級快充電池的量產和應用。這是“超級快充電池”這個名詞首次出現在與廣汽相關的新聞上。其經營范圍包括石墨及碳素制品銷售、石墨烯材料銷售、新型陶瓷材料銷售和電池銷售等。其中廣汽集團持股22.52%,原廣汽集團副總經理、廣汽研究院首任院長黃向東將任職新公司董事長。

廣汽成立石墨烯公司

  廣汽埃安官方表示,他們將在今年年底實現石墨烯電池的全面量產。其實在專利當中我們可以發現廣汽申報了一種三維石墨烯的制備方法,如果這種制備方法可以實現規?;?,9月開始實現量產還是有可能的。作為較超前的技術,其可靠性和耐用度必須要打一個問號。但廣汽埃安的石墨烯電池已經經過了3年的技術攻關,可靠性應該能有所保證。

       至于硅碳負極電池,我們從廣汽集團申請的專利可以發現,他們申請了非常多的與硅碳負極材料技術有關的專利,包括硅碳負極材料本身的構成和制作方法都非常完備。雖然廣汽埃安目前尚未放出硅負極電池的量產時間表,不過預計也不需要太長時間。

固態電池才是真正的未來電池

  在各種技術路線均不明朗的情況下,以三元鋰電池、磷酸鐵鋰電池為代表的液態/膠態鋰電池仍將占據市場的絕對地位。所以在目前的技術路線下,大家也不需要太期待某個“黑科技”會在短時間內代替市面上所有的液態/膠態鋰電池。對液態/膠態鋰電池的小修小補依然會成為短時間內對電池改造提升的主要方式,但是要大幅將電動汽車的使用體驗提升至與燃油車一樣方便,對液態/膠態鋰電池電極和電解質的小修小補依舊治標不治本。

       想要一款與液態/膠態鋰電池完全不一樣的、革命性的電池,恐怕要等到使用硫化物固體電解質的全固態電池了。無論是在能量密度、充電速度還是安全性,硫化物固體電解質固態電池都具有無可比擬的優勢,針對電動車續航和充電的痛點才真正做到了治標又治本。其目前的瓶頸仍集中在生產制造工序上,不過也將在不久后得到解決。(文:太平洋汽車網 趙信杰)

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    趙信杰 編輯

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