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8分钟1000km续航还不贵?广汽:我不是我没有别瞎说啊

2021年01月21日 14:03:03
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【太平洋汽车网 行业频道】广汽埃安在中国电动汽车百人论坛上关于石墨烯和硅负极电池的扯皮,可谓是一石激起千层浪。但是既能长续航、又能充电快的电池谁不想要呢?所以就有必要跟大家讲清楚,石墨烯电池和硅负极电池到底是怎么回事,它们和“充电快”、“长续航”究竟有多大关系。

情况到底是个什么情况?

广汽研究超级电池已经有一段时间了,最早是从3年前就已经进行深入研究。去年9月,广汽还联合投资合伙人成立了巨湾技研有限公司,专门负责超级快充电池的量产和应用。这是“超级快充电池”这个名词首次出现在与广汽相关的新闻上。其经营范围包括石墨及碳素制品销售、石墨烯材料销售、新型陶瓷材料销售和电池销售等。其中广汽集团持股22.52%,原广汽集团副总经理、广汽研究院首任院长黄向东将任职新公司董事长。

1月15日,广汽埃安官微发布了全新动力电池科技预告,表示石墨烯基超级快充电池可在8分钟充满80%,让充电像加油一样便捷;同时硅负极电池让电动车NEDC续航达1000公里,并即将量产搭配。受此消息影响,当日广汽集团A股涨停,H股涨近20%。

然而,仅仅一天以后,这一技术疑似遭到中科院院士的质疑。1月16日,中国科学院院士、中国电动汽车百人会副理事长欧阳明高在中国电动汽车百人会论坛(2021)的演讲中讲到:“如果有人说,他的电动车既能跑1000公里,又能几分钟充完电,而且还特别的安全、成本还非常低,大家不用相信,因为这在目前是不可能同时达到的,这方面近年来没有大的突破。”

欧阳明高的这番讲话,也让广汽埃安的电池新技术受到了广泛的质疑。对此,1月17日,广汽埃安总经理古惠南回应称,“不要把技术问题和推广运营的问题混为一谈”,随后还称“今年1000公里续航的车肯定要出来,快充也是肯定要出的,8分钟充满1000公里,理论上是可以的。”

1月18日晚间,广汽集团发布的公告显示,石墨烯基超级快充电池与长续航硅负极电池是两种不同的电池技术。目前这两种电池已按计划开展实车测试,并预计于本年内分别搭载在广汽埃安现有AION V和AION LX车型上。

石墨烯电池 只是电极用上了石墨烯?

石墨我们见得多了,作为碳单质的一种同素异构体,石墨的晶体结构非常特殊。

6个碳原子组成一个正六边形的环向外延伸,就成为了石墨的单层结构,而层与层之间通过距离较远的离域π键连接。这就使得石墨晶体各层之间可以发生滑动,制备仅具有一层原子结构的石墨便成为了可能,这就是石墨烯的由来。

制备出来的石墨烯,由于原有的π键不复存在,二维单层结构的上下两面均可用于吸附电池中的锂离子,扩增储锂容量,可达石墨的两倍,且其无规则排列增加的微孔也可增强储锂量,进一步提升充电速度。除此之外,石墨烯的力学强度,电荷迁移率、导电率等性能较优,特有高柔韧性及长径,也让其具备作为锂离子电池负极材料的潜能。

但石墨烯的制备说起来容易做起来难。石墨烯在电池中最怕的就是发生团聚和堆叠现象,单层的石墨烯很容易因为π键的存在发生吸引,从而变回多层的普通石墨结构。所以为了避免团聚和堆叠的情况发生,石墨烯大多使用还原氧化法和液相剥离法进行制备。

制备出来的石墨烯,由于原有的π键不复存在,二维单层结构的上下两面均可用于吸附电池中的锂离子,扩增储锂容量,可达石墨的两倍,且其无规则排列增加的微孔也可增强储锂量,进一步提升充电速度。除此之外,石墨烯的力学强度,电荷迁移率、导电率等性能较优,特有高柔韧性及长径,也让其具备作为锂离子电池负极材料的潜能。

但是石墨烯用作负极材料,单独使用却并不划算,因为其微米级的团聚效应,电化学性能其实是受到抑制的。所以为了能充分发挥其电化学性能,一般会将其与其他材料复合使用,比如普通石墨。而且石墨/石墨烯复合电极材料中,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虽可提升放电比容量,但在增加到一定程度后,其循环性能和电荷转移阻抗性能则会出现下降,这对于电池的耐用性会造成不小的影响,成本也会相应增加。

但广汽埃安这次所发布的石墨烯电池,是将石墨烯与镍钴锰酸锂三元正极材料混合制成。这个就和将石墨烯复合材料用于负极的原理有少许差异。广汽埃安的三维石墨烯,是一个近似球面的结构,它能很好地与三元正极分子结合,增大相互之间传递电荷的面积。从而提升电荷传递效率,将充电速度加快至8分钟充满80%。这款电池将搭载在Aion V上,续航里程可达500km。

硅负极最大的难度在于控制

同样是三元锂离子电池,相比上文所述的石墨烯负极材料锂离子电池,使用硅作为负极材料的锂离子电池技术难度更大,但在提高电池的能量密度上具有更好的前景。

首先,硅具有较低的氧化还原电位,可以满足锂离子电池较高的输出电压,同时其可逆容量较大,这就能给予锂离子电池极高的能量密度(理论极限为4200mAh/g)。但最致命的是,硅负极材料具有极高的体积膨胀率(高达300%),在充放电的过程中会不断出现粉化和脱落的现象,硅粒子会失去活性。

同时,硅粒子破裂也会导致活性粒子与集流体间电接触不良形成“孤岛效应”,断裂面反复形成新的SEI膜,造成不可逆的容量损失。再者,硅作为半导体,其较低的电导率也会影响其性能。

所以在实际应用过程中,硅一般会和碳等材料共同制成复合材料电极,同时该电极的分子几何结构也非常复杂,这么做最重要的目的,还是为硅的体积膨胀提供缓冲空间,以减缓电极反应时界面应力变化,抑制电极粉化;保持活性硅纳米粒子之间以及其与集流体之间有良好的电接触和优异的锂离子、电子传输;阻止纳米硅粒子的团聚。

但是要让硅负极电池真正发挥作用,恐怕还不止是换个电极那么简单。

硅负极电池要发挥最佳的状态,必须要对电解液进行适当的改造,以减少锂离子的消耗,同时保证硅负极的稳定性和SEI膜的成膜性。目前在实验室中,常用的电解质为聚合物电解质,而在其中添加VC添加剂或FEC添加剂能使得电极上的SEI膜更加致密,同时将硅负极的体积膨胀率控制在70%以内。

广汽埃安对此提出的解决方案则非常有创造性。他们使用了硅颗粒和多孔碳,让硅颗粒隐藏在多孔碳的孔洞中,这样硅颗粒在充放电的过程中有足够的空间进行膨胀,避免对硅负极的整体结构造成破坏。同时,广汽埃安还往硅负极中加入了碳化聚丙烯腈,使得碳化聚丙烯腈中的氮原子和与硅颗粒形成较为稳固的导电网络。

9月量产能做到吗?

广汽埃安官方表示,他们将在今年年底实现石墨烯和硅负极电池的全面量产。其实如果真的如上述猜测那样,9月开始实现量产还是有可能的。作为较超前的技术,其可靠性和耐用度必须要打一个问号。但广汽埃安的石墨烯和硅负极电池已经经过了3年的技术攻关,可靠性应该能有所保证。

液态锂电池仍将占据主流

在各种技术路线均不明朗的情况下,以三元锂电池、磷酸铁锂电池为代表的液态/胶态锂电池仍将占据市场的绝对地位。所以在目前的技术路线下,大家也不需要太期待某个“黑科技”会在短时间内代替市面上所有的液态/胶态锂电池。当然,对于各种电池技术路线的探索,也不会因为开发难度而停下脚步,未来的电池,终究会向大容量和充电快的方向发展。(文:太平洋汽车网 赵信杰)

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