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

近年来，我国新能源汽车和国产智能手机的发展取得了许多令世人瞩目的成就，可谓是进入了高质量发展的快车道。 新能源汽车方面，截止2021年，我国新能源汽车销量连续7年位居全球第一。据中国汽车工业协会数据显示，我国新能源汽车保有量约580万辆，约占全球新能源汽车总量的50%。已经将合资车和外资车远远甩在了身后，实现了弯道超车。 国产智能手机方面，经过了十年的不懈努力，国产智能手机品牌全面崛起。无论是从质量、性能、价格等方面都有了质的飞跃，可以与苹果、三星等外国品牌一较高下。据CANALYS数据显示，2022年第一季度国内手机市场销量排名前五的手机品牌中，国产手机已经占据四席，国产手机品牌市场占有率达80%，而且荣耀、OPPO已经反超苹果手机，占据了销量榜的冠亚军位置。 这些成绩的取得，靠的不是一时的心血来潮，也不是跟风凑热闹，而是扎扎实实的技术创新与进步的结果。近期，我国的电池技术又接连取得突破，或将从根源上解决长期被人们所诟病的新能源汽车和智能手机的续航焦虑问题。 什么是续航焦虑？ 续航焦虑从本质上来说就是充电焦虑，无论是新能源汽车还是智能手机，都需要在使用一定时间后为其充电。但是，就目前的充电技术来说，还远远达不到人们的使用需求。 比如新能源电动汽车，一旦没电，就需要到处去找充电桩，即使找到充电桩，可能还需要排队充电，好不容易排到自己了，也需要再等上大几十分钟甚至几个小时才能把电充满。这样一番折腾下来，可能你已经焦躁不安，身心疲惫。 再比如智能手机，其实也和新能源电动汽车类似，给手机充一次电也需要等上几十分钟才能充满。如果你有手机依赖症，那这几十分钟可能会让你心情沮丧，度日如年。 那如何解决续航焦虑的问题呢？笔者认为有两种方法，一是寻找性能更优的充电新材料；二是突破快充技术的瓶颈。 功夫不负有心人。近期我国在电池技术领域又传来了三个好消息，终于实现新的突破，下面赶快来分享给大家。 01 宁德时代发布新一代钠离子电池 据悉，这款钠离子电池电芯单体能量密度可达160Wh/kg；常温下充电15分钟，电量可达80%以上；而在零下20°C低温的环境下，仍然有90%以上的放电保持率。 在正极材料方面，宁德时代采用了克容量较高的普鲁士白材料，对材料体相结构进行电荷重排，解决了普鲁士白在循环过程中容量快速衰减的核心难题；在负极材料方面，宁德时代开发了具有独特孔隙结构的硬碳材料，其具有克容量高、易脱嵌、优循环的特性。 与锂离子电池相比，钠离子电池具有四大优势： 1、储量丰富。 锂在地壳中的含量只有0.0065%，而钠约为2.36%，钠的储量是锂的360倍。 2、成本低廉。 ①磷酸铁锂正极约6~8万/吨；而钠离子化合物价格稳定且低廉，仅为约250元/吨。 ②钠离子电池不需要使用钴、镍等稀有贵金属，且钠离子不与铝形成合金，还可使用比铜箔更便宜的铝箔做集流体，材料成本会比锂离子电池降低8%左右。 3、能量密度媲美磷酸铁锂。 由于钠离子电池无过放电特性，允许钠离子电池放电到零伏。钠离子电池能量密度大于100Wh/kg，可与磷酸铁锂电池相媲美。 4、安全性高。 钠离子电池的电化学性能稳定，具有较高的安全性。通过针刺、挤压、过充、过放等测试，能做到不起火不爆炸。另外，在运输环节中，可以实现零伏运输，有效地降低了运输风险。 另外，因钠离子电池在制造工艺方面，可以实现与锂离子电池生产设备、工艺的兼容，生产线可进行快速切换，实现产能快速布局。目前，宁德时代已启动钠离子电池产业化布局，2023年将形成基本产业链。 02 国轩高科研发的半固态电池将实现装车 在国轩高科第十一届科技大会上，工研院副院长张宏立表示，360Wh/kg能量密度的三元半固态电池将在今年实现量产。搭载半固态电池的车型，电池容量可达160kWh，续航将突破1000km，零百加速仅3.9s。 那什么是半固态电池呢？ 半固态电池是指一侧电极不含液体电解质，另一侧电极含有液态电解质的电池。或单体中固体电解质质量或体积占单体中电解质总质量或总体积之比的一半。 半固态电池相比与传统的液态锂离子电池有以下三大优势： 1、能量密度高。 液态锂离子电池的能量密度上限被公认为300Wh/kg，即便是300Wh/kg也只是理论值。事实上，国产的纯电动车，主流的磷酸铁锂电池单体能量密度一般在160Wh/kg左右，比亚迪第二代刀片电池单体能量密度为180Wh/kg，三元锂电池的单体能量密度在200Wh/kg左右。 磷酸铁锂电池 而固态电池的能量密度很容易做到300~400wh/kg以上，理论能量密度更高达700Wh/kg，是锂电池的2倍。 2、体积小。 传统锂电池中，仅隔膜和电解液就占据了近40%的体积和25%的质量。而如果换作半固态电解质，正负极之间的距离可以缩短到几到十几个微米，这样电池的厚度就能大幅度降低，显得轻薄小巧。 3、柔性化。 半固态电池使用脆性的陶瓷材料，即便厚度薄到毫米级以下后还是可以弯曲的，材料柔性好。另外，半固态电池的轻薄化也使得柔性程度提高，因此，使用适当的材料封装后，可以经受几百到几千次的弯曲而做到性能基本不衰减。 陶瓷材料 此次国轩高科的半固态电池单体能量密度可达到磷酸铁锂电池的2.25倍，是比亚迪刀片电池的2倍，比三元锂电池主流产品高出80%左右。这意味着，在同等电池包体积下，电池续航可以延长一倍左右。并且，电池系统的性能更强，加速更快。 刀片电池 03 国产手机品牌realme实现150W光速秒充，打破充电技术天花板 除了寻找性能更优的充电新材料外，我国的科研人员也从未放弃对快（闪）充技术的探索。这不，从国产手机品牌realme传来好消息，在近期发布的真我GT Neo3手机上，其搭载的闪充技术又有新突破，实现了150W光速秒充，可以让手机5分钟充电50%，15分钟即可完全充满。这一技术一举打破了充电技术的天花板，做到了世界第 一。 看到这里，可能有朋友会问，一会儿快充，一会儿闪充，那到底有什么区别呢？ 说到手机快速充电技术，目前市场上主流的快充技术有两种：一种是以华为、小米为代表的手机厂商使用的快充技术，一种是以OPPO、vivo、realme为代表的手机厂商使用的闪充技术。 先说快充，是通过提升充电电压，适当降低充电电流来加快充电速度。优点是电流低，兼容性强，对手机充电器、数据线没有太高要求。缺点是高电压会产生高热量，导致手机发热，对电池寿命影响明显。 再说闪充，与快充相反，是通过降低充电电压，提高充电电流来加快充电速度。优点是热量集中在充电头上，手机发热较轻，安全性较高。而缺点是，因为电流较大，需要特制的充电器与数据线，成本较高。但这一点也不用担心，因为购机时，一般都会标配充电器和数据线，不需要像苹果手机那样再去另外花钱买充电器。 这里建议大家认清楚快充和闪充的区别，充电器尽量不要混用，否则有可能导致手机使用寿命缩短和一些不必要的安全隐患。 GT Neo3搭载了定制的南芯半导体泵快充芯片。采用了全新的4：2大功率充电架构、双电芯串联结构设计以及Battery Sense电芯电压检测技术，以更低损耗、更低电阻实现150W大功率闪充，同时采用温控技术，在充电时可以将温度控制在43℃以下。 […] read more