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純電續(xù)航超1000km！揭秘“海綿硅負極片電池技術(shù)”如何化解里程焦慮

2021-11-30 18:05:49·  來源：廣汽研究院  
　
新能源車發(fā)展至今，在政策和消費者需求的雙重指引下，車企通過提高電池能量密度、空氣動力學(xué)設(shè)計、輕量化設(shè)計等多種方式，已將主流車型的續(xù)航里程提升到600km甚
新能源車發(fā)展至今，在政策和消費者需求的雙重指引下，車企通過提高電池能量密度、空氣動力學(xué)設(shè)計、輕量化設(shè)計等多種方式，已將主流車型的續(xù)航里程提升到600km甚至700km，但“里程焦慮”或多或少還是消費者心中過不去的坎兒。大家恨不得電動車要么充電快，要么續(xù)航高，二者兼得自然是最好。


廣汽研究院動力電池團隊深諳消費者痛點，在提升續(xù)航和充電速度兩方面雙管齊下，力求解決“里程焦慮”這一大難題。近日，搭載“海綿硅負極片電池技術(shù)”的廣汽埃安AION LX Plus作為首款續(xù)航超1000km的純電車型進入工信部最新免征購置稅目錄，這標志著“海綿硅負極片電池技術(shù)”這項“黑科技”已全面落地。下面就為大家揭秘廣汽研究院是如何通過“海綿硅負極片電池技術(shù)”化解“里程焦慮”的。

搭載“海綿硅負極片電池技術(shù)”的廣汽埃安AION LX Plus，純電續(xù)航1008km
負極是鋰離子的“收容所”
要想了解何為“海綿硅負極片電池技術(shù)”，還需先從動力電池的基本原理說起。電池的充放電本質(zhì)上是鋰離子在正負極之間“游泳”，鋰離子跳入電解液，從正極移動到負極，就完成了一次充電；從負極移動到正極，就完成了一次放電。
最近幾年，“磷酸鐵鋰”“三元”“無鈷”等鋰電池領(lǐng)域的專業(yè)名詞不斷為消費者熟知，但這些技術(shù)都屬于電池的正極技術(shù)。而鋰離子電池中的負極材料，同樣是影響電池容量的關(guān)鍵，卻像個隱形人，很少被人提及和關(guān)注。
在商用鋰離子電池領(lǐng)域，負極材料大多采用石墨。石墨作為負極有很多優(yōu)點，例如耐高溫、耐氧化、抗腐蝕、導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能強等。
硅負極倒是能吃，可惜消化不好
既然石墨如此優(yōu)秀，無論是研發(fā)、生產(chǎn)和制造都已經(jīng)十分成熟，也是廣大動力電池廠商選擇的標準路徑，那廣汽研究院為什么還要研究“硅負極”呢？這就不得不提到石墨相對于硅的一個劣勢——容量小。
石墨的理論比容量只有372mAh/g，但硅的理論比容量可達4200mAh/g，相當于石墨的近十倍！用句流行的話說，硅就是老天爺追著給它喂飯吃，天生就是做動力電池負極的“好料”。如此高的比容量，再搭配高鎳三元等技術(shù)，對于電動車的續(xù)航提升大有裨益。
硅的理論比容量相當于石墨的近十倍
但硅負極在天賦異稟的同時，也有它的不足之處——消化不好，吃多了容易脹氣。硅負極材料在充放電過程中會膨脹收縮，體積變化很大，造成硅在多次循環(huán)的過程中開裂、破碎，長此以往，從電池正極游過來的鋰離子會發(fā)現(xiàn)，自己的“收容所”消失了，無處可去了，電池容量隨之衰減，壽命就降低了。
除此以外，硅負極這種特性，還會傷害固體電解質(zhì)界面層（Solid Electrolyte Interface, SEI）。在鋰離子電池首次充放電過程中，電解液會在負極表面發(fā)生副反應(yīng)，形成一層覆蓋于電極材料表面的膜，鋰離子可以在膜內(nèi)外暢通無阻，但電解液分子和電子卻休想通過，避免了與電極的繼續(xù)反應(yīng)。
石墨負極所形成的SEI致密、薄、規(guī)整，但硅負極不同，由于硅“消化不良”的特性，其體積膨脹時，會使SEI破碎，破碎初新露出的硅負極材料會與電解液持續(xù)發(fā)生副反應(yīng)，一方面修復(fù)了破損的SEI，但同時又反應(yīng)消耗了電池中的活性鋰，從而會導(dǎo)致電池容量的持續(xù)衰減。
海綿硅負極片電池技術(shù)厲害在何處？
這么一看，硅負極真的是“憂喜參半”，容量大的同時問題也不少。但廣汽研究院既然敢把它量產(chǎn)，那必定是有辦法治它。廣汽研究院是如何治硅負極這個調(diào)皮家伙的呢？
首先，廣汽研究院賦予了它一個朗朗上口的名字——海綿硅負極片電池技術(shù)。
海綿的特性就是吸水后膨脹，但把水排掉后又收縮回原來的體積，不會過分膨脹甚至爆裂。海綿硅負極片電池技術(shù)的核心原理就是，讓電池內(nèi)部的硅負極片變得像海綿一樣柔軟有彈性，使硅在充放電過程中的膨脹收縮被限制和緩沖，不會碎裂。同時，讓硅負極發(fā)揮出大容量的優(yōu)勢，像海綿吸水一樣，儲存更多的能量。
海綿硅負極片電池技術(shù)是由涉及正負極材料、粘結(jié)劑、電芯設(shè)計、工藝制造等一系列技術(shù)群所組成。
在材料領(lǐng)域，包含有“納米復(fù)合硅技術(shù)”。這項技術(shù)是通過把硅材料控制在納米尺度，并在表面包覆一層保護層，控制微觀形貌，最大程度降低硅在充放電過程中的體積膨脹。同時，這種表面包覆保護層也避免了硅直接與電解液接觸，提升了界面的穩(wěn)定性。所以，“納米復(fù)合硅技術(shù)”的作用，是緩解硅材料在充放電過程中的膨脹。
納米復(fù)合硅技術(shù)
而另一項“自修復(fù)功能的粘結(jié)劑技術(shù)”，是對極片中的粘結(jié)劑進行改性優(yōu)化，使其具有優(yōu)異的包覆、粘結(jié)和回彈性能，能使破損的硅負極極片在膨脹收縮過程中得以修補，保持很好的電極結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。這項技術(shù)是對膨脹收縮的電池極片予以“修復(fù)”。
自修復(fù)功能的粘結(jié)劑技術(shù)
在工藝制造領(lǐng)域，廣汽研究院還開發(fā)了“梯度復(fù)合涂布技術(shù)”，通過硅負極極片活性組分與非活性緩沖組分的梯度分布設(shè)計，大幅提升了活性層與集流體的結(jié)合力，改善了負極極片本體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。這項技術(shù)是讓硅材料在充放電過程中的膨脹得到“緩沖”。
梯度復(fù)合涂布技術(shù)
通過包含以上這些海綿硅負極片電池技術(shù)的技術(shù)群，動力電池單體電芯在同等電量的情況下，體積能夠減小20%，重量能夠減輕14%；電池電芯能量密度可達到280Wh/kg，處于行業(yè)領(lǐng)先水平。這樣就能實現(xiàn)在相同的、空間緊張的車輛底盤下，放更多的電池、存更多的電量、充更多的電，電動車也就能跑得更遠了。同時海綿硅負極片電池技術(shù)的電池電芯還表現(xiàn)出非常好的低溫容量保持率，-20℃容量保持率達到92%以上，優(yōu)于市場上傳統(tǒng)的石墨負極電芯，大幅提升了電動車在冬季低溫條件下的續(xù)航表現(xiàn)。
-20℃電池容量保持率對比
自2019年以來，搭載海綿硅負極片電池技術(shù)的AION LX Plus已在新疆吐魯番和海南分別進行了多輪高溫試驗，在黑龍江黑河進行了多輪高寒試驗。廣汽研究院開展了包括充電、續(xù)航、動力性、耐久性四大類六十多項的參數(shù)標定和試驗驗證，確保了電池技術(shù)與車輛性能的安全可靠。
近期，廣汽集團計劃總投資3.36億元建設(shè)自研電池電芯生產(chǎn)線，海綿硅負極電池的生產(chǎn)也有了保障！
對于新技術(shù)，總有人質(zhì)疑“啥時候量產(chǎn)”或者“是不是PPT”，而廣汽研究院自主研發(fā)的海綿硅負極片電池技術(shù)，已實實在在搭載在廣汽埃安AION LX Plus，并憑借1008km的續(xù)航里程登上工信部最新免征購置稅目錄，很快就會與消費者見面！
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