Ultra-Schnellladung von Batterien, es besteht noch kein Konsens über die Sicherheit | Brief eines Ingenieurs
„Als die ersten Schöpfer von Automobilprodukten verstehen Ingenieure am besten die Automobilprodukte und -technologien. Ob ein Produkt gut ist, wie tief die Technologie ist und ob die Materialien echt sind, in der Rubrik „Briefe von Ingenieuren“ von 36Kr können Sie die realere Seite sehen.“
Die langen Schlangen vor den Ladestationen an Autobahnraststätten in der Rush-Hour, die Aufladezeiten von mindestens 30 Minuten sowie die Langeweile und Frustration während des Aufladevorgangs – für eine ziemlich lange Zeit schienen dies alles das zu sein, was das Aufladeerlebnis von reinen Elektromobilen ausmacht.
Automobilhersteller und Batteriehersteller haben dieses Problem der Nutzer erkannt. Zuerst hat Li Auto versucht, durch die „5C-Ladetechnologie“ zu beweisen, dass das MEGA wirklich 500.000 Yuan wert ist. Nachdem die „5C-Ladetechnologie“ auf Fahrzeuge von Marken wie XPeng, Zeekr, Voyah und Xingjiyuan eingesetzt wurde, sind neue Technologien wie „Megawatt-Schnellladung“ und „Super-e-Plattform“ aufgetaucht. CATL hat sogar nach BYD die Laderate der Batterien auf 12C erhöht.
Unternehmen versuchen, durch eine Reihe neuer Technologien den Verbrauchern eine schöne Geschichte zu erzählen, dass das Aufladeerlebnis dem des Betankens gleichkommt.
Auf der Verbraucherseite sind jedoch einige Nutzer gegenüber Super-Schnellladebatterien eher vorsichtig. Ihre Bedenken konzentrieren sich oft darauf, ob die Super-Schnellladetechnologien von 5C, 6C oder sogar 12C die Batterielebensdauer beeinträchtigen und ob die Sicherheit der Batterien im Super-Schnellladesystem noch zu vertrauen ist.
Bei den Gesprächen mit Batterieingenieuren hat 36Kr festgestellt, dass die Super-Schnellladetechnologie tatsächlich die Batterielebensdauer verkürzt.
Da die Batteriehersteller jedoch beim Versuch, die Ladegeschwindigkeit zu erhöhen, auch eine Reihe entsprechender Verbesserungen an den Batteriematerialien und -strukturen vorgenommen haben, wird die Auswirkung der Super-Schnellladung auf die Batterielebensdauer in einem akzeptablen Bereich gehalten. Mindestens innerhalb der Garantiezeit von 8 Jahren und 150.000 Kilometern kann die Batterie normal verwendet werden.
Was die Sicherheit der Batterien im Super-Schnellladesystem betrifft, besteht bisher noch kein Konsens.
Der Ladevorgang einer Batterie ist der Prozess, bei dem Lithiumionen die Kathode verlassen und in die Anode einbauen. Bei der Super-Schnellladung bewegt sich die Lithiumionen sehr schnell. Daher besteht die Wahrscheinlichkeit, dass sie nicht gleichmäßig in die Anode einbauen können, sondern Lithiumdendriten auf der Anodenoberfläche bilden. Wenn sich die Lithiumdendriten bis zu einem gewissen Grad ansammeln, können sie die Batterielebensdauer und -kapazität beeinträchtigen oder sogar noch schwerwiegendere Probleme verursachen, wie z. B. das Durchstechen der Separatorfolie und das Kurzschließen der Zelle.
Darüber hinaus gibt es beim Laden und Entladen von Traktionsbatterien normalerweise einen Atmungseffekt. Die Batterie hat bei vollem Ladezustand ein größeres Volumen und bei leerem Ladezustand ein kleineres. Dieser Atmungseffekt ist im Super-Schnellladesystem noch deutlicher. Mit zunehmender Anzahl der Lade- und Entladezyklen dehnt sich die Batterie aus, was die Alterung der Batterie beschleunigt. Eine gealterte Batterie erzeugt leicht Gase, was zu einer Batteriequellung führt und somit Sicherheitsrisiken entstehen lassen.
Darüber hinaus versuchen einige Automobilhersteller, um die Bedürfnisse von zeitkritischen Nutzern besser zu erfüllen, zusammen mit den Batterieherstellern den Ladebereich der Super-Schnellladung immer weiter auszuweiten. Dies stellt höhere Anforderungen an die Wärmemanagementfähigkeit der Batteriehersteller.
Allerdings können nicht alle Batteriehersteller genau ihre eigenen Fähigkeitsgrenzen einschätzen, was zweifellos auch die Sicherheit der Batterien im Super-Schnellladesystem mit mehr Unsicherheiten behaftet.
Nach den Gesprächen von 36Kr mit Batteriebranchenmitarbeitern erhöht sich die Wahrscheinlichkeit, dass die oben genannten Probleme auftreten, wenn ein Elektromobil normalerweise mehr als 2 - 3 Jahre benutzt wird.
Aus diesen Überlegungen heraus haben einige Automobilhersteller es nicht eilig, die Super-Schnellladetechnologie einzuführen.
Beispielsweise ist das kürzlich viel diskutierte Xiaomi YU7 nur in der Max-Version mit 329.900 Yuan mit der Qilin-Batterie von CATL ausgestattet. Xiaomi hat offiziell angegeben, dass diese Batterie eine Super-Schnellladung von 5,2C unterstützt. In der Standardversion mit 253.500 Yuan und der Pro-Version mit 279.900 Yuan des Xiaomi YU7 liegt die Laderate der Batterie unter 3C.
Ein weiteres Beispiel ist Leapmotor, das als „halb so teures Li Auto“ verspottet wird. Bei der Auswahl der Traktionsbatterie hat es sich nicht an Li Auto gehalten und Super-Schnellladebatterien eingesetzt.
Abgesehen von den Sicherheitsproblemen führt die Super-Schnellladetechnologie auch dazu, dass die Verbraucher mehr für das Aufladen bezahlen müssen.
Da derzeit die Batterien, die eine Super-Schnellladung über 5C unterstützen, in der Regel eine starke Wasserkühlung benötigen, verbraucht das Aufladen unter der Bedingung der eingeschalteten Wasserkühlung zwangsläufig mehr Strom. Daher müssen die Nutzer mehr Geld für das Aufladen ausgeben.
„Gesprächspartner: A, mehr als zehn Jahre Erfahrung in der Batterieentwicklung bei führenden Automobilherstellern“
36Kr Auto: Seit Anfang dieses Jahres hat die Branche Super-Schnellladetechnologien von 10C und 12C eingeführt. Wirkt sich dies auf die Batterielebensdauer aus? In welchem Ausmaß genau?
A: Die Super-Schnellladung hat sicherlich Auswirkungen auf die Batterielebensdauer, aber diese Auswirkungen liegen in einem kontrollierbaren und akzeptablen Bereich. Denn wenn die Batteriehersteller die Super-Schnellladetechnologie entwickeln, berücksichtigen sie immer die Lebensdauer des gesamten Fahrzeugs. Selbst wenn die Batterielebensdauer abnimmt, kann sie auf jeden Fall die Batteriegarantie von 8 Jahren und 150.000 Kilometern erfüllen.
Die Methode, wie Hersteller die Auswirkungen der Super-Schnellladung auf die Batterielebensdauer testen, besteht darin, die Batterie bei 100 % Batteriegesundheit mit Super-Schnellladung aufzuladen und anzuhalten, wenn die Batterie auf 75 % abgenommen hat, und dann die Anzahl der Zyklen in diesem Prozess zu berechnen.
Natürlich gibt es zwischen verschiedenen Herstellern geringfügige Unterschiede in den Testbedingungen, sodass die ermittelten Zyklenlebensdauern auch unterschiedlich sein können. Es kann niedrigere Werte wie 700 Zyklen geben, aber auch 1.000 Zyklen oder noch höher.
Dies liegt daran, dass einige Hersteller erst anhalten, wenn die Batterie auf 70 % abgenommen hat. In diesem Fall wird die ermittelte Zyklenlebensdauer sicherlich länger sein. Andere Hersteller haben höhere Standards und halten bei 80 % ab. In diesem Fall wird die ermittelte Lebensdauer natürlich kürzer sein. Derzeit ist es die Hauptmethode in der Branche, bei 75 % Abnahme anzuhalten.
Nach der von den Batterieherstellern geplanten Reichweite beträgt ein Zyklus mehrere hundert Kilometer. Daher kann die Batterie im Super-Schnellladesystem auf jeden Fall die Garantie von 3 Jahren und 150.000 Kilometern erfüllen.
36Kr Auto: Welches ist der Grund, warum die Super-Schnellladetechnologie die Batterielebensdauer verkürzt?
A: Die Super-Schnellladetechnologie beeinträchtigt die Batterielebensdauer hauptsächlich aufgrund von Lithiumabscheidung und der Expansion während des Lade- und Entladevorgangs, die die Mikrostruktur der Batterie zerstören, sowie der Zerstörung und Wiederherstellung der SEI-Schicht, die aktive Substanzen in der Batterie verbraucht.
Während des Super-Schnellladevorgangs bewegt sich die Lithiumionen sehr schnell. Nachdem sie die Kathode verlassen, besteht die Wahrscheinlichkeit, dass sie nicht gleichmäßig in die Anode einbauen können, was zur Bildung von Lithiumdendriten auf der Anodenoberfläche führt.
Darüber hinaus gibt es beim Laden und Entladen von Traktionsbatterien normalerweise einen Atmungseffekt. Die Batterie hat bei vollem Ladezustand ein größeres Volumen und bei leerem Ladezustand ein kleineres. Dieser Atmungseffekt ist im Super-Schnellladesystem noch deutlicher. Mit zunehmender Anzahl der Zyklen dehnt sich die Batterie aus, was die Alterung der Batterie beschleunigt. Die Alterung der Batterie zeigt sich konkret in einer Verdickung der SEI-Schicht, einer Erhöhung des Innenwiderstands usw.
Außerdem bildet sich beim ersten Laden und Entladen der Batterie eine SEI-Schicht auf der Anodenoberfläche, wenn der Elektrolyt mit der Anode der Batterie reagiert. Mit der Zeit bricht die SEI-Schicht auf und bildet sich dann wieder. Jedes Mal, wenn die SEI-Schicht gebildet wird, werden aktive Substanzen in der Batterie verbraucht. Die Super-Schnellladung beschleunigt die Zerstörung der SEI-Schicht.
36Kr Auto: Wirkt sich die Super-Schnellladung auf die Zyklenlebensdauer von Batterien mit unterschiedlichen Materialsystemen unterschiedlich aus?
A: Die Auswirkungen auf die Lithium-Ionen-Batterie mit ternärem Übergangsmetalloxid (NMC) sind etwas größer, da das ternäre Lithium-Material schichtförmig ist und daher leichter zerstört wird als das olivenförmige Lithium-Eisenphosphat-Material. Unter Hochdruckbedingungen nehmen auch die Nebenreaktionen der NMC-Batterie zu. Darüber hinaus hat die Lithium-Eisenphosphat-Batterie von Natur aus eine längere Lebensdauer, sodass sie weniger von der Super-Schnellladung betroffen ist.
36Kr Auto: Wirkt sich die Verwendung der Super-Schnellladetechnologie in unterschiedlichen Umgebungstemperaturen im Norden und Süden auf die Batterielebensdauer unterschiedlich aus?
A: Der Temperatureinfluss ist sehr gering. Traktionsbatterien haben alle eine elektromagnetische Abschirmung. Bei niedrigen Temperaturen wird die Batterie erwärmt, und bei hohen Temperaturen wird sie gekühlt. Allerdings darf die Umgebungstemperatur nicht zu hoch oder zu niedrig sein, z. B. 40 oder 50 Grad Celsius oder minus 30 Grad Celsius. Bei zu hoher Temperatur werden die elektrochemischen Reaktionen der Traktionsbatterie zu heftig, und der Verbrauch an Lithiumionen erhöht sich. Bei zu niedriger Temperatur wird der Elektrolyt zu zähflüssig, und die elektrochemischen Reaktionen in der Traktionsbatterie werden sehr schwierig. Allerdings begegnen wir diesen extremen Klimabedingungen nur selten.
36Kr Auto: Welche entsprechenden Anpassungen werden an den Batteriematerialien vorgenommen, wenn die Batteriehersteller die Super-Schnellladetechnologie entwickeln?
A: Zuerst betrachten wir das Anodenmaterial der Batterie. Das derzeit häufig verwendete künstliche Graphit-Anodenmaterial ist schichtförmig. Um eine Schnellladebatterie herzustellen, muss zunächst der Abstand zwischen den Graphitschichten vergrößert werden, was gleichbedeutend ist mit der Erweiterung des Einwanderungskanals für die Lithiumionen. Dann müssen die Partikel kleiner gemacht werden, denn je größer die Partikel sind, desto länger ist der Kanal für die Migration der Lithiumionen. Indem man die Partikel kleiner macht, wird die Einwanderungsstrecke der Lithiumionen verkürzt.
Das Anodenmaterial muss jedoch sowohl die Energiedichte als auch die Laderate berücksichtigen. Daher müssen Partikel unterschiedlicher Größe gemischt werden. Wenn es zu viele kleine Partikel gibt, wird die Speicherleistung der Batterie sinken. Außerdem nimmt mit zunehmender Anzahl kleiner Partikel die spezifische Oberfläche zu, und die Nebenreaktionen werden heftiger.
Damit ändert sich natürlich das Rohmaterial für die Anode der Batterie. Beispielsweise wurde ursprünglich Nadelkoks als Rohmaterial verwendet, aber jetzt muss es in Petroleumkoks umgestellt werden, denn Nadelkoks hat eine langgestreckte Form, während Petroleumkoks körnig und rund ist und die Migrationsstrecke der Lithiumionen verkürzen kann.
Darüber hinaus muss um das Graphit eine weiche Kohlenstoffbeschichtung angebracht werden. Die Kohlenstoffbeschichtung kann zusätzliche Elektronentransportwege bieten und den Reaktionswiderstand verringern. Außerdem kann die Beschichtung um die Anode die Anode schützen, sodass sie weniger negative Reaktionen mit dem Elektrolyten eingeht, und gleichzeitig die Stabilität der Anode verbessern und ihre Expansion während des Lade- und Entladevorgangs unterdrücken.
Das Kathodenmaterial der Batterie muss ebenfalls sowohl die Energiedichte als auch die Laderate berücksichtigen. Daher müssen auch Partikel unterschiedlicher Größe gemischt werden. Darüber hinaus muss das Zweifiring-Verfahren angewendet werden, und es muss mit Graphit, Kohlenstoff, Graphen usw. beschichtet werden. Der Grundsatz ist ähnlich wie beim Anodenmaterial, nämlich die Migrationsstrecke der Lithiumionen zu verkürzen und den Widerstand beim Einbau der Lithiumionen zu verringern.
Die Veränderungen auf der Ebene des Elektrolyten bestehen hauptsächlich darin, dass die Additive des Elektrolyten geändert werden. Das Hauptziel ist es, den Migrationskoeffizienten der Ionen zu erhöhen und die Bildung der SEI-Schicht zu kontrollieren. Diese Additive können neues Lithium, VC (Vinylencarbonat) oder FEC (Fluorethylencarbonat) sein, und es gibt auch einige von Herstellern selbst entwickelte synthetische Additive.
36Kr Auto: Welche Veränderungen gibt es in der Herstellungstechnologie und der strukturellen Gestaltung der Batterie außer in den Materialien?
A: Bei der Technologie ist es am wichtigsten, die Beschichtung der Elektrodenfolie dünner zu machen, um die Transportstrecke der Lithiumionen zu verkürzen. Bei einer Laderate von über 6C muss die Beschichtungsdicke um 1/3 reduziert werden. Gleichzeitig muss das Schichtbeschichtungsverfahren angewendet werden.
Darüber hinaus hat die Stromstärke der Schnellladebatterie zugenommen. Daher muss die Kupferfolie der Anode entsprechend dicker gemacht werden, und die Polfahnen müssen als Vollpolfahnen ausgeführt werden.
Bei der strukturellen Gestaltung muss hauptsächlich die Wärmeableitung und die Stromtragfähigkeit der Batterie berücksichtigt werden. Auf der Batteriedeckelplatte gibt es Polsäulen. Ursprünglich gab es nur eine, jetzt werden es doppelte Polsäulen. Dadurch wird der Wärmeableitungskanal der Batterie vergrößert. Ursprünglich waren es einfache Polfahnen, jetzt werden es Vollpolfahnen, was die Stromtragfähigkeit der Batterie erhöht.
Übrigens ist bei der Batteriepack-Ebene die Wärmeableitung ein größeres Problem bei der Schnellladung. Innerhalb des Batteriepacks muss die Kühlfläche vergrößert und das Strömungskanaldesign optimiert werden. Darüber hinaus muss es mit der Kühlfähigkeit des gesamten Fahrzeugs und der Klimaanlage usw. kombiniert werden, um den Wärmeübertragungskoeffizienten zwischen der Batterie und dem gesamten Fahrzeug zu erhöhen.
Insbesondere an der Stelle der Polsäulen muss das Wärmeman