在锂电池加入超薄的镍箔 ” 当几乎所有的电动车都能10分钟充满75%，还会存在里程焦虑吗？ 眼下就有一种新型的充电技术，可以实现10分钟超级快充。 最近，来自美国宾夕法尼亚州立大学王朝阳（Chao Yang Wang）教授联合多位研究人员，在锂离子电池快充技术上获得一项重大突破。 据他们描述，这种快速充电技术适用于大多数能量密集的电池，使电动汽车电池充电时间缩短到10分钟。即便将电动汽车电池从150千瓦时缩小到50千瓦时，司机也不会有里程焦虑。 来源：Nature 这项技术突破以“Fast charging of energy-dense lithium-ion batteries”为题发表在国际顶级期刊《Nature》上。 这种突破性的技术，更是得到了美国能源部、美国国防部、美国空军和威廉·迪芬德弗基金会的青睐。 01  在锂电池中加镍箔 目前提升电池快充能力的主流手段是电池材料改性，如提升电解液电导率、增加石墨材料比表面积等，这些都是在牺牲电池在正常工作条件下的寿命和安全性为代价，但这些手段大多都效果不佳。 而这项最新技术的核心，主要在于对电池内部的热量进行调节。 电池在运行时需要热起来但却不能太热，一直以来，电池的温度基本都是依赖外部附加的庞大的加热和冷却系统来控制，这种系统反应非常缓慢，还会浪费大量能源。 为此研究人员开发了一种新的电池结构，除了阳极、电解质和阴极外，还添加了超薄的镍箔作为第四种成分。 作为一种刺激物质，而镍箔可以自我调节电池的温度和反应性，这使得任何电动汽车电池都可以快速充电10分钟。 其实早在6年前，王朝阳及其同事就开始在锂离子电池中添加镍箔来加热，帮助电池在严寒环境中有更好的续航。 不过有个问题是，当前所有车用锂电池在高功率充电下都无法避免析锂现象的发生，这也极大缩短了电池寿命并可能造成安全隐患。 王朝阳及其团队为了应对这个问题，采用两种盐性（0.6 M LiFSI +0.6 M LiPF6）的电解液替换了传统的电解液体系（1M LiPF6）。 相比于单一的LiPF6溶液，LiFSI溶液有更高的锂离子迁移数（0.56 vs. 0.38），在同样的倍率下，LiFSI还可以降低电解液浓差极化，提高电极厚度方向嵌锂反应的均匀性，这样不仅提高了电解液的热稳定性，又极大降低了析锂风险。 来源：Nature 结合此前王朝阳团队先前研发的速热以及非对称温度热调控（Asymmetric Temperature Modulation, ATM）的方法（即充电前加热至高温（~60oC）快速充电，室温放电）。 可以实现了高能量密度锂离子电池（265 Wh/kg）的快速充电（10分钟充电~75% ），并能够稳定循环高达2000次以上，也创造了动力电池极速充电的世界记录。 而且这些创新首次揭示了高比能动力电池极速充电只需要空气冷却，大大提高了电池系统的集成度、可靠性和安全性。 研究人员表示，这项工作与目前声称充电 10 分钟后可以行驶100或150英里的电车完全不同。 通常情况下，这些电车的续航可以达到500英里，甚至更多，所以充电10分钟行驶100英里，只能算是冲到25%，这种全新的技术，直接将目前的充电水平提高三倍。 02  王朝阳是谁？ 王朝阳，华人科学家，公开资料显示，1984年获浙大热物理工程学系（现能源系）内燃动力工程专业学士学位，1987年获浙大热物理工程学系（现能源系）工程热物理专业硕士学位。 如今，王朝阳是美国国家发明家科学院院士，宾夕法尼亚州立大学William E. Diefenderfer 讲席教授，并且还兼任电池与储能技术研究院院长，美国机械工程师学会（ASME）会士，电化学学会（ECS）电池分会执行委员等一大堆名誉头衔。 […] read more

任何电池路线的发展都离不开能量密度和成本这两条主线。磷酸锰铁锂的能量密度高于磷酸铁锂但成本却差不多，富锂锰基材料和层状锰酸锂的能量密度优于三元材料。在原材料成本不断高企的当下，研发这几种正极材料的热度自然会提升。 近日，当升科技宣布磷酸锰铁锂材料已完成研发，目前处于客户认证阶段；巴斯夫杉杉宣布富锰电池材料已实现吨级规模化生产……近年来，包括磷酸锰铁锂、富锂锰基等锰基电池备受关注，相关企业加速布局。锰基材料电池前景究竟如何？ 性价比优势显著 磷酸铁锂电池和三元锂电池是目前电动汽车使用的主流动力电池。 今年3月，特斯拉CEO马斯克表示，“我认为锰基电池有潜力。”他进一步称“在非常大的(电池)需求下，我们需要数千万吨甚至数亿吨原材料。因此，用于大规模生产电池的材料必须是普通材料，否则就无法规模化。”在2020年的特斯拉电池日上，马斯克还曾表示，用2/3的镍和1/3的锰做正极材料相对简单，这使得在同样数量镍的情况下可以提升50%以上的电池容量。 目前主流锰基电池包括锰酸锂、磷酸锰铁锂、富锂锰基等。业内人士认为，锰基材料中，磷酸锰铁锂作为磷酸铁锂最重要的改进方向之一，有望率先产业化应用。据了解，磷酸锰铁锂是磷酸铁锂与磷酸锰锂的固溶体，保留了磷酸铁锂的优良安全性与稳定性，并且拥有较高的电压平台以及与磷酸铁锂相同的理论克容量，因此相同条件下其理论能量密度比磷酸铁锂电池高20%左右。目前，拥有磷酸锰铁锂技术储备的电池厂商有宁德时代、比亚迪、国轩高科等，主要以专利技术研发、投资布局为主。德方纳米、中贝新材料、天津斯特兰等正极厂商均对锰铁锂产品有所布局。德方纳米表示，公司新型磷酸锰铁锂已开始送样，预计1-2年后可实现产业化，叠加正极补锂技术，该电池能量密度可提高20%，循环寿命可达1万次。 中国科学院宁波材料技术与工程研究所研究员夏永高指出，目前磷酸铁锂电池的能量密度已接近极限，三元锂电池受近期镍、钴价格波动影响，成本飞涨。同时，相对于镍、钴，锰的储量较为充足。在此背景下，锰基电池的优势进一步凸显。 在真锂研究首席分析师墨柯看来，任何电池路线的发展都离不开能量密度和成本这两条主线。“磷酸锰铁锂的能量密度高于磷酸铁锂但成本却差不多，富锂锰基材料和层状锰酸锂的能量密度也优于三元材料。在原材料成本不断高企的当下，研发这几种正极材料的热度自然会提升。” 尚存技术难点 据了解，比亚迪多年前曾尝试研究锰基电池并申请了相关专利，不过后续未有更多进展，目前比亚迪主打刀片电池。 事实上，具备诸多优势的锰基电池自身也有痛点。“锰元素的加入可以提升原本磷酸铁锂电池的能量密度，但与此同时，锰加入后，材料的锂离子扩散速度和电子电导率均会降低。因此，为了实现磷酸锰铁锂更高的放电比容量，需要减小材料一次颗粒尺寸，但小的纳米颗粒也带来一系列副作用，如压实降低、吸水性高，以及其导致的高温循环性能差和胀气问题。”夏永高表示。 “磷酸锰铁锂技术开发的难点在于解决电压双平台的问题，富锂锰基和层状锰酸锂技术开发的难点在于延长循环寿命的问题，目前，上述技术都还没达到实用阶段的水平。”墨柯坦言。 高工锂电认为，未来2-3年磷酸锰铁锂将更多的以复配三元材料方式加以应用。长远来看，随着其成本下降，循环性能改善，将加速完成从辅材到主材的升级过程。“磷酸锰铁锂现阶段单独使用还存在一些问题，其更适合用作三元锂电池的辅助材料，既可以兼顾能量密度，又可以提高三元电池的安全性能。”夏永高表示。 带动用锰需求 原材料供应紧张导致此前电池价格暴涨，近期价格仍维持在高位。目前，不少车企纷纷寻找性价比更高的电池，新材料、新技术层出不穷。清华大学教授、中国科学院院士欧阳明高近日表示，未来动力电池很有可能出现更多材料体系方面的创新。从目前来看，钠离子低温充电、快充性能表现十分突出，锰酸锂、锰酸铁锂等锰基固态电池经济性、低温性能表现优异，两者凭借各自优势，均已进入新一代动力电池技术研发布局之列。 中金公司的研报指出，2022年开始，4680电池、CTB、磷酸锰铁锂电池、半固态电池、钠电池、锂电回收等有望陆续走向产业化。“原材料价格上涨越多，综合性价比越高的电池路线就越受欢迎，比如，磷酸锰铁锂等多种技术路线未来都会有参与竞争的机会。”新能源与智能网联汽车独立研究者曹广平表示。 据了解，锰酸锂电池目前已实现大规模量产，在两轮车市场有着较大市场空间，磷酸锰铁锂电池、富锂锰基电池仍处于规模化量产的推进过程中。 业内比较关注，何种锰基电池可实现最先搭配装车。对此，夏永高看好三元/磷酸锰铁锂复合电池的前景。针对目前磷酸锰铁锂电池发展面临的技术问题，他认为针对不同的应用场景，综合平衡锰铁比、电化学性能和物理性能等至关重要，不应一味追求更高的锰含量。 未来随着锰基电池的发展，锰在电池端的需求也将攀升。中信证券的研报指出，受益于三元正极材料和锰酸锂材料出货量的快速增长，预计2025年锂电正极材料用锰量将超过30万吨，2021-2025年复合增长率为32%。随着新型锰基正极材料的渗透率提升，预计锂电池用锰量将出现激增，至2035年有望增至130万吨以上，相当于2021年的10余倍。2035年锂电池领域用锰量预计占锰整体需求比例达到5%。 read more