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宁波大学阮殿波:超快充电池技术及应用

时间:  2019-12-26 10:19  来源:  氢智会   作者:  Summer

以“未来汽车动力与能源之辩”为主题的2019上海电化学能源器件工程技术创新论坛于2019年12月15日在上海举办。论坛围绕当前新能源汽车产业发展中的热点话题,从先进动力电池、燃料电池、氢能制备与储运、到甲醇燃料及氢电混合动力系统各抒己见,为我国新能源汽车的发展献计献策,共同推动我国新能源汽车技术进步。

会上,中车新能源科技有限公司总工程师、宁波大学教授阮殿波发表了主题演讲,以下为演讲实录:

谢谢组委会的邀请,我们也是想从汽车本身来解决一些问题。我本人一直做超级电容器,做了二十几年,我想能不能从这个角度来讲一讲。

我们知道汽车电动化这个趋势是不可阻挡的。那么另外一点,当然全球有很多的时间表、规划,实际上这里有几个问题,有一些痛点的事。

第一是现有锂电池的问题,充电时间特别长,达不到分钟级的充电,充电不能像加油一样方便,这是一个非常大的痛点,用户体验不是特别好。

第二个问题,全生命周期成本及性能无法保障,最高的电池能用多少年?一般的家庭乘用车还可以,运营车辆的话,王总刚才也提到,是一个很大的问题,全生命周期会有储能器件,带来成本会很高。

第三个问题,目前的储能电池低温性不是特别好,一般来讲铁锂的话是零下10度,再往下估计放电就很困难了,三元的话过了0度也很困难。那能不能做到零下30度,零下40度可充可放?这一点也是一个痛点。要解决这些问题,用电池本身的技术好象没有什么特别好的方法。

我们有这么一些指标看能不能实现,第一是能量密度争取做到120—150Wh/kg,当然这个不是很高,现在我们知道的铁锂大概能做到150—170Wh/kg,我们接近铁锂的水平。第二个功率密度,一般的电池是1个千瓦/公斤的水平,我们能把它提高到7—8个千瓦/公斤,这样的话可以在5分钟内充满。第三个续航寿命问题,现在的电池我们测试过程中,好一点的可以测到8000次、10000次,主要看什么条件测的,多大倍率测的,我们能不能用10C、20C的情况下,有5万次的充电循环,这样的话实际上有很好的应用。还有一个是低温特性,零下20度以下做到可充可放,那么实际上现在做的好一点的可以做到零下30度、40度,这个也是没有问题的。

要实现这个想法,途径大概是这样的途径,我们知道这里有两个器件,左面是锂离子电池,右面是超级电容器,对比了四个方面的差别。首先,能量密度上,我们知道锂电160—250,不管哪个体系,大概是这么一个能量密度,非常高。而超级电容器,目前大概是5到10Wh/平米,差异非常大,几倍的差异。除了一点,我们看另外三个指标,其他指标好于电池,第二功率密度非常高,现在做到18个kW/kg现在最好做到能100个kW/kg,也没有问题,所以它可以实现秒级充电,我们这边知道一般的快充,40分钟,一个小时,满充几个小时。而且快充的话,对电池本身的寿命的影响是非常大的。第三个是循环寿命,一般的话电池500到3000次,超级电容器可以做到100万次,因为它是基于物理属性。最后一个是低温性能差别很大,超级电容器零下40度的时候,所有的指标几乎是没有变化的。我们再想,能不能从材料级别、体系级别构建一个新型的电池?我们把这个电池叫做超快充电池,就是红色部分画的。

看一下指标,刚才大概讲了一些情况。从铅酸、到钛酸锂,到磷酸铁锂来比较,我们看它的综合指标优势明显,它可以3分钟充满,零下20度,还可以很好的使用。其他的电池必须接近的是钛酸锂和磷酸铁锂,钛酸锂有一个问题能源密度比较低,铁锂也有很大的问题,虽然说价格稍微低一点。我讲的QCB电池成本相对比较低。

那么实际上,目前哪些公司正在做?三星公司现在出了两款电池,基于刚才讲的体系,有一点不一样,这个电池其中给奥迪做混合动力用的,已经批量。国内有一家炒作比较大,产品没有做,寿命比较低。

从材料级别构建的话,大概是这么一个情况,左面是超级电容器储能原理,我们看是通过电子与离子吸附来进行存储,这种储能是物理储能,所以基本没有化学反应,有一点点化学反应是化学副反应,我们不希望的。右面是通过Li的脱嵌和插层里实现的,那么我们能不能考虑在正负极上把这两种材料做在一起?但是我们要选择材料,因为不同的材料,包括超级电容器也是一样,它的电压体系不一样,我们看有一个是合适的。正极用三元材料,通过一种技术能够烧结在一起,它俩的电压体系是一致的,单体对外工作电压是2.7伏,正畸是4.1或者是4.2伏,几乎是类似的。这样的体系,容易在充电过程中,材料本身性能能保持稳定。

那么这样的话,在正极上既有Li电储能,又有超级电容的储能,实际上可以调控比例。调控比例的话,就可以调控刚才讲的这几个主要指标,看这些指标的特性。同时如果这样的话,器件兼顾了锂电的高能量密度,以及超级电容器的高功率密度。

我们做了几个这样的器件进行测试,我们看到在快充情况下都没有问题可以做到30C,做到100C也没问题,做到20C的情况下,看一下充电时间。完全充满情况下是10分钟,3C是5分钟,前面的时间非常短,实际上真正要用的话,大概是5到8分钟的时间就可以充满。

那么这块测试性能定位性能还有对立性能,现在看这两个曲线,从2.4V到2.7V,我们看这个曲线的话,完全是一个超电曲线,因为横流情况下超级电容器是一条直线这个是电容的特性。我们知道三元材料本身要放电的话,实际上到3V左右是掉下去的,我们可以拉直,这样的话把电压使用范围拉宽。一般来讲我们选2.7V和2.8V,那么是完全的一个很均匀的一条直线。还有一个看倍率情况非常好,保持性能非常好,那么20C的情况,相对保持92%的能量,非常好的保持特性。那么在放电过程中一样,零下20度的时候,放电也很好,这个PPT比较早,现在是应该是80%左右,也是一个非常好的情况。

那么再看寿命,做了两种测试,一种测试在20C连续充放,充3分钟放,连续的放,这个是比较恶劣的充放在没有散热的条件下,大概是做了显示,做到了2万次,大概将近有90%的容量,实际上是非常恶劣的条件,很多的电池用20C很难实现,本身产热就非常大。

还有把出口稍微窄一点点,做到3V到3.8V的情况下,在20C没有到30C的情况,达到18万次的时候,实际上它的容量保持率还有90%,所以寿命非常长。利用超级电容器本身的多孔材料的参与,超电本身的性能会把寿命做的很长。

这个是做了一些软包的器件,包括一些小模组。也做了一些圆柱的和1860、2170这些电池,那么这些快充电池,也可以跟三星、LG谁上比较好的这些产品对比。怎么对比?就看温升怎么样,同样不同的倍率下,测它的温升差异非常大。我们看温升的情况,如果是超容电池的话,就是底下最低的一条,它的温升一般来说是10度左右,这个是非常高的情况。

你看对一个单极电池,如果是三星和LG的,非常高,整个下来的话,温度从室温大概20到30度上升到65度,所以差别就很大了,所以很难用在快充上,而这个电池可以用在快充上。

这些电池做的话,实际上还是想把它做一些应用的,大概有几点,最好的应用第一个是用在物流车上。第一个应用我们知道去年最火的是ETC,用这种技术做了很多小型的电池,用在ETC上。它就是短时高功率通讯用的,用量很大,做了几千万只产品,半年左右的时间,现在还在做,所以它第一个是用在ETC上。我们知道ETC用的话,肯定不是用一年,贴上去其实很难摘下来,摘下来再上去是非常难的。而且高温性非常好,放在汽车挡风玻璃上的话,夏天温度非常高,大概70、80度,它对温度的适应性没有问题。

第二个是三表系统,消费者类电子的,三表系统的话有远程抄表,物联网终端电源,那么这块的话,也是用它的高功率、长寿命、低温优异性的情况,包括一些执行机构,包括关水阀什么的都可以,这个是民用的。

动力性,用在物流车上,目前在改一台物流车,在用超级电容器电池,我们设计的是250公里,用超快充电池。那么250公里的话,可以实现快充,也不用人来充电,因为我们知道物流车运营效率非常高,几乎不停,换司机不换车,这个车,今天白天一个人开,晚上一个人,吃饭的时候10分钟去充电,充满后剩下的时间它一直在工作。我们知道电池寿命也很长,这样的话全生命周期,比如说这个车用8到10年的话,绝对不用换电池。

还有动力拖车和港口的作业机械过现在有一个要求,可能在5到6年内,因为环保和排放要求,我们很多的工程机械,包括港口作业机械要求代替,原来的纯柴油机改成电动化,找不到一个电池用的。铅酸电池体积重量非常大,用铁锂的话,据工程机械的人讲,铁锂的话一般坚持不到一年半,这个电池就要换掉,成本低也没有用。现在在做这个事情,这个电池非常合适,功率性特别好。

第二,卖寿命。寿命特别长,特别适合工程机械,因为我们知道工程机械市场非常大,有万亿市场。

第三,在一些电动车上能不能单次充电能跑250公里,这样的一个情况,分钟级充电。当然这个市场真的做起来比较难,补贴的问题,其他的问题也都很难。当然,我觉得燃料电池和混合动力,燃料电池就是一个发电极,后面加一组电池,这个电池可以选择。

实际上这个电池抗过载能力非常强,后期工况输出非常复杂,做车的人都知道,工况输出非常复杂,对电池冲击很大,尤其是制动的时候,这个能量的回馈,如果电池效率非常高,制动回收效率非常高,环境适应性更好的话,在混合动力上还是非常好的。燃料电池或者是混合动力都可以,作为一个搭配。

还有刚才说的48V,这个事情也是很好的借鉴,如果用超级电容器电池的话,还是有很好的特性,一个是讲制动能量的回馈,那么制动能量回馈的时候,就是我们很好工业节能,包括电池有很好的应用。

以上就是我的分享,谢谢!
 



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