800V高压快充布局加速，石墨负极任重道远

中国粉体网讯  目前锂电池正在朝三个方向发展：更快的充电速度、更高的能量密度、更长的循环寿命。 所谓快充就是在很短的时间内给电池以最快的充电速度，将电池电量充至满电或者接近满电的充电方法。参考美国先进电池联盟（USABC）对快充动力电池提出了具体指标，要求在15min内充满电池总电量的80%。 然而，目前纯电动汽车用锂电池的充电时间普遍在1h以上，充满电所需要的时间是普通燃油车加满油所用时间的20倍左右。因此，电动汽车充电速度已成为消费者最关心的问题之一。
高压快充是趋势
若想提高充电速度，就需要增大充电桩功率，而增大电流或提升电压两种方式均可实现这一目的。但电流过高会导致充电枪、线缆及动力电池核心部件等产生大量热损失，其理论提高值有限。 相比之下，提升电压这一技术路线，不仅可以实现充电速率提升的目的，还可降低热损耗、减轻整车质量、优化动力结构、提高安全性能。正因此，800V高压快充成为市场“新宠”。 日前，小鹏汽车官宣小鹏G9将于9月正式上市。据悉，该车采用800V SiC高压电驱平台，综合续航里程可提升5%，充电5分钟续航可增加200公里。
当前，已有不少车企在800V高压快充领域进行布局。2019年保时捷的Taycan全球首次推出800V高电压电气架构，搭载800V直流快充系统并支持350kW大功率快充。在此之后，高压快充路线受到越来越多主机厂的青睐。现代起亚、奥迪、玛莎拉蒂等车企陆续发布800V快充技术，比亚迪、长城、广汽埃安、小鹏汽车等国内主机厂也相继推出800V快充方案。
石墨负极受益
与现行400V充电平台相比，充电平台升级到800V，变化最大的零部件和元器件主要是功率半导体和电池负极。
电池负极方面，石墨材料由于低廉的价格、相对高的储锂容量、高的首次效率，在未来一段时间内仍然是锂电池负极材料的首要选择。 锂电池快充性能的主要制约因素在于锂离子嵌入负极材料这一过程。由于石墨嵌锂电位比较接近金属锂电位，在大倍率充电过程中负极石墨电极电位很容易达到金属锂电位，从而导致锂并非嵌入石墨层中而是以金属锂的形式沉积在负极材料表面，形成大量锂枝晶，造成安全隐患。
石墨负极改进
为了实现石墨负极材料具有快速充电的特点，就必须从加快锂离子嵌入石墨层的速度和抑制石墨材料在充电过程中快速极化到0V以下两方面来改进材料。
表面包覆
目前常用表面包覆来改善石墨负极材料的性能。软硬碳的层间距比石墨稍大，有利于锂离子的扩散，常用来作为石墨表层的包覆材料，即通过表面修饰作用，在石墨表面形成无定形结构的碳层，増加了锂离子通道，改善锂离子扩散，提升其倍率性能。在设计快充型锂离子电池时，通常采用小颗粒以及软硬碳包覆的负极材料。
元素掺杂
氮原子与碳原子大小非常接近，并且氮原子电负性更小，因此很容易将氮原子掺杂进入碳原子中，显著改变碳材料中电子的性质，增加了材料中活性位点的数量，提高锂离子的扩散系数，从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见的掺杂元素。
结构设计
制备具有多通道的石墨负极材料，确保电解液能够充分浸润，并且缩短锂离子传输路程，可以达到提高锂离子扩散速度的目的。研究人员将天然石墨在干燥热空气中高温处理，随后在氮气氛下热处理制得具有多通路石墨负极目标产物，
如下图b-d所示。通过对原始石墨与多通路石墨在6C倍率下长期循环测试表明，经过高温处理的石墨材料长期循环的容量保持率要远远高于未处理石墨材料容量保持率。 （a）原始石墨材料FE-SEM图；（b-d）多通路石墨材料FE-SEM图（来源：吴宁宁等，《快速充电锂离子电池研究进展》） 通过物理化学手段调整石墨的层间距，拓宽锂离子嵌入的通道是一种非常有效的快充石墨改性方法。研究人员分别采用酸碱对石墨表面进行处理，如下图所示，将块状石墨分解成薄层膨胀石墨，并在石墨表面构筑大量孔隙，促进锂离子的迁移。电化学测试结果表明，酸碱处理后的石墨的倍率性能和大电流循环稳定性有了明显的改善。 酸碱活化石墨的机理示意图（来源：吴宁宁等，《快速充电锂离子电池研究进展》） 此外，调控石墨的片层堆叠方式和物理取向也被视为有效的手段。研究人员设计了由带通孔的薄石墨片和碳纳米管组成的复合电极，如下图所示。引入碳纳米管可以使得多孔石墨纳米片物理分离，防止其重新堆叠，有利于石墨片层内的锂离子传输。通过联合使用去溶剂化能较低的电解液，显著加速了界面电荷转移，从而获得了优异的倍率性能。 碳纳米管分离多孔石墨纳米片中锂离子插入的示意图（来源：吴宁宁等，《快速充电锂离子电池研究进展》）
形貌优化
球形化处理是目前工业上最常用的改性方式。对片状的石墨进行球形处理能够简单高效的减轻石墨的各向异性，并使其粒度均匀，表面光滑，增大振实密度，在不增大比表面积的前提下增加活性嵌入位点。
化学改性
对石墨进行化学改性，例如，通过氧化处理在石墨表面生成某些官能团，如-OH、-COOH等，有利于形成稳定的SEI膜，以实现在大电流充放电条件下的高容量和出色稳定性。研究人员对石墨进行简单球磨后在1000℃下进行硼酸共热，在石墨表面引入B-O官能团。研究发现B-O官能团可以显著降低SEI膜的界面转移阻抗，促进锂离子迁移和电荷转移。电化学测试显示，B-O官能团修饰的石墨在5C的大电流下也具有出色的倍率性能。 小结 随着新能源电动汽车续航里程的不断增加，里程焦虑问题得到有效缓解。当前新能源汽车有待解决的问题也开始转向如何缩短充电时间。
电动汽车快充的最终落地，需要车、电池、桩三方联动。在电池方面，电池功率性能的提升是一项系统工程，而负极材料倍率的提升是其中重要的一环。从负极材料角度来讲，石墨负极在很长一段时间内仍然是主流。受制于缓慢的嵌锂动力学和极低的氧化还原电位，石墨在高倍率充放电下的容量、稳定性和安全性无法满足动力电池的需求。因此，对石墨进行改性提高其快充性能，将会是未来一段时间学者们进行研究的重点。
参考来源：
1、赵彦孛等，《锂离子电池快充技术进展》
2、吴宁宁等，《快速充电锂离子电池研究进展》
3、每日经济新闻，《新能源车企加速布局800V高压快充，功率半导体和电池负极受益最大》
4、张文佳等，《锂离子电池快充技术进入新的发展期》
5、丁晓博等，《锂离子电池快充石墨负极研究与应用》