800V高壓快充布局加速，石墨負(fù)極任重道遠

目前鋰電池正在朝三個方向發(fā)展：更快的充電速度、更高的能量密度、更長的循環(huán)壽命。

所謂快充就是在很短的時間內(nèi)給電池以最快的充電速度，將電池電量充至滿電或者接近滿電的充電方法。參考美國先進電池聯(lián)盟（USABC）對快充動力電池提出了具體指標(biāo)，要求在15min內(nèi)充滿電池總電量的80%。

然而，目前純電動汽車用鋰電池的充電時間普遍在1h以上，充滿電所需要的時間是普通燃油車加滿油所用時間的20倍左右。因此，電動汽車充電速度已成為消費者最關(guān)心的問題之一。

高壓快充是趨勢

若想提高充電速度，就需要增大充電樁功率，而增大電流或提升電壓兩種方式均可實現(xiàn)這一目的。但電流過高會導(dǎo)致充電槍、線纜及動力電池核心部件等產(chǎn)生大量熱損失，其理論提高值有限。

相比之下，提升電壓這一技術(shù)路線，不僅可以實現(xiàn)充電速率提升的目的，還可降低熱損耗、減輕整車質(zhì)量、優(yōu)化動力結(jié)構(gòu)、提高安全性能。正因此，800V高壓快充成為市場“新寵”。

日前，小鵬汽車官宣小鵬G9將于9月正式上市。據(jù)悉，該車采用800V SiC高壓電驅(qū)平臺，綜合續(xù)航里程可提升5%，充電5分鐘續(xù)航可增加200公里。

（來源：小鵬汽車）

當(dāng)前，已有不少車企在800V高壓快充領(lǐng)域進行布局。2019年保時捷的Taycan全球首次推出800V高電壓電氣架構(gòu)，搭載800V直流快充系統(tǒng)并支持350kW大功率快充。在此之后，高壓快充路線受到越來越多主機廠的青睞。現(xiàn)代起亞、奧迪、瑪莎拉蒂等車企陸續(xù)發(fā)布800V快充技術(shù)，比亞迪、長城、廣汽埃安、小鵬汽車等國內(nèi)主機廠也相繼推出800V快充方案。

石墨負(fù)極受益

與現(xiàn)行400V充電平臺相比，充電平臺升級到800V，變化最大的零部件和元器件主要是功率半導(dǎo)體和電池負(fù)極。

電池負(fù)極方面，石墨材料由于低廉的價格、相對高的儲鋰容量、高的首次效率，在未來一段時間內(nèi)仍然是鋰電池負(fù)極材料的首要選擇。

鋰電池快充性能的主要制約因素在于鋰離子嵌入負(fù)極材料這一過程。由于石墨嵌鋰電位比較接近金屬鋰電位，在大倍率充電過程中負(fù)極石墨電極電位很容易達到金屬鋰電位，從而導(dǎo)致鋰并非嵌入石墨層中而是以金屬鋰的形式沉積在負(fù)極材料表面，形成大量鋰枝晶，造成安全隱患。

石墨負(fù)極改進

為了實現(xiàn)石墨負(fù)極材料具有快速充電的特點，就必須從加快鋰離子嵌入石墨層的速度和抑制石墨材料在充電過程中快速極化到0V以下兩方面來改進材料。

表面包覆

目前常用表面包覆來改善石墨負(fù)極材料的性能。軟硬碳的層間距比石墨稍大，有利于鋰離子的擴散，常用來作為石墨表層的包覆材料，即通過表面修飾作用，在石墨表面形成無定形結(jié)構(gòu)的碳層，増加了鋰離子通道，改善鋰離子擴散，提升其倍率性能。在設(shè)計快充型鋰離子電池時，通常采用小顆粒以及軟硬碳包覆的負(fù)極材料。

元素?fù)诫s

氮原子與碳原子大小非常接近，并且氮原子電負(fù)性更小，因此很容易將氮原子摻雜進入碳原子中，顯著改變碳材料中電子的性質(zhì)，增加了材料中活性位點的數(shù)量，提高鋰離子的擴散系數(shù)，從而提高碳材料的比容量以及倍率性能。除了氮元素之外，硼、磷、硅等元素也是石墨材料中常見的摻雜元素。

結(jié)構(gòu)設(shè)計

制備具有多通道的石墨負(fù)極材料，確保電解液能夠充分浸潤，并且縮短鋰離子傳輸路程，可以達到提高鋰離子擴散速度的目的。研究人員將天然石墨在干燥熱空氣中高溫處理，隨后在氮氣氛下熱處理制得具有多通路石墨負(fù)極目標(biāo)產(chǎn)物，如下圖b-d所示。通過對原始石墨與多通路石墨在6C倍率下長期循環(huán)測試表明，經(jīng)過高溫處理的石墨材料長期循環(huán)的容量保持率要遠遠高于未處理石墨材料容量保持率。

（a）原始石墨材料FE-SEM圖；（b-d）多通路石墨材料FE-SEM圖（來源：吳寧寧等，《快速充電鋰離子電池研究進展》）

通過物理化學(xué)手段調(diào)整石墨的層間距，拓寬鋰離子嵌入的通道是一種非常有效的快充石墨改性方法。研究人員分別采用酸堿對石墨表面進行處理，如下圖所示，將塊狀石墨分解成薄層膨脹石墨，并在石墨表面構(gòu)筑大量孔隙，促進鋰離子的遷移。電化學(xué)測試結(jié)果表明，酸堿處理后的石墨的倍率性能和大電流循環(huán)穩(wěn)定性有了明顯的改善。

酸堿活化石墨的機理示意圖（來源：吳寧寧等，《快速充電鋰離子電池研究進展》）

此外，調(diào)控石墨的片層堆疊方式和物理取向也被視為有效的手段。研究人員設(shè)計了由帶通孔的薄石墨片和碳納米管組成的復(fù)合電極，如下圖所示。引入碳納米管可以使得多孔石墨納米片物理分離，防止其重新堆疊，有利于石墨片層內(nèi)的鋰離子傳輸。通過聯(lián)合使用去溶劑化能較低的電解液，顯著加速了界面電荷轉(zhuǎn)移，從而獲得了優(yōu)異的倍率性能。

碳納米管分離多孔石墨納米片中鋰離子插入的示意圖（來源：吳寧寧等，《快速充電鋰離子電池研究進展》）

形貌優(yōu)化

球形化處理是目前工業(yè)上最常用的改性方式。對片狀的石墨進行球形處理能夠簡單高效的減輕石墨的各向異性，并使其粒度均勻，表面光滑，增大振實密度，在不增大比表面積的前提下增加活性嵌入位點。

化學(xué)改性

對石墨進行化學(xué)改性，例如，通過氧化處理在石墨表面生成某些官能團，如-OH、-COOH等，有利于形成穩(wěn)定的SEI膜，以實現(xiàn)在大電流充放電條件下的高容量和出色穩(wěn)定性。研究人員對石墨進行簡單球磨后在1000℃下進行硼酸共熱，在石墨表面引入B-O官能團。研究發(fā)現(xiàn)B-O官能團可以顯著降低SEI膜的界面轉(zhuǎn)移阻抗，促進鋰離子遷移和電荷轉(zhuǎn)移。電化學(xué)測試顯示，B-O官能團修飾的石墨在5C的大電流下也具有出色的倍率性能。

小結(jié)

隨著新能源電動汽車?yán)m(xù)航里程的不斷增加，里程焦慮問題得到有效緩解。當(dāng)前新能源汽車有待解決的問題也開始轉(zhuǎn)向如何縮短充電時間。

電動汽車快充的最終落地，需要車、電池、樁三方聯(lián)動。在電池方面，電池功率性能的提升是一項系統(tǒng)工程，而負(fù)極材料倍率的提升是其中重要的一環(huán)。從負(fù)極材料角度來講，石墨負(fù)極在很長一段時間內(nèi)仍然是主流。受制于緩慢的嵌鋰動力學(xué)和極低的氧化還原電位，石墨在高倍率充放電下的容量、穩(wěn)定性和安全性無法滿足動力電池的需求。因此，對石墨進行改性提高其快充性能，將會是未來一段時間學(xué)者們進行研究的重點。

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