Ultra-Schnellladung von Batterien, es besteht noch kein Konsens über die Sicherheit | Brief eines Ingenieurs
„Als die ersten Schöpfer von Automobilprodukten sind Ingenieure diejenigen, die die Automobilprodukte und -technologien am besten verstehen. 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 eine realistischere Seite sehen.“
Die langen Schlangen vor den Ladesäulen an Autobahnraststätten in der Rush-Hour, die Ladezeiten von mindestens 30 Minuten und die Langeweile und Frustration während des Ladevorgangs - für eine ziemlich lange Zeit schienen dies alles das zu sein, was das Ladeerlebnis von reinen Elektromobilen ausmacht.
Automobilhersteller und Batteriehersteller haben dieses Problem der Nutzer erkannt. Zuerst hat Li Auto versucht, mit der „5C-Ladetechnologie“ zu beweisen, dass das MEGA wirklich 500.000 Yuan wert ist. Nachdem die „5C-Ladetechnologie“ nacheinander in Fahrzeuge von XPeng, Zeekr, Voyah, Xingjiyuan und anderen Marken integriert wurde, sind auch Technologien wie „Megawatt-Schnellladung“ und „Super-e-Plattform“ auf den Markt gekommen. CATL hat sogar nach BYD die Laderate der Batterien auf 12C erhöht.
Die Unternehmen versuchen mit einer Reihe neuer Technologien, den Verbrauchern eine schöne Geschichte zu erzählen, dass das Ladeerlebnis dem des Betankens gleichkommt.
Aber auf der Verbraucherseite sind einige Nutzer gegenüber Super-Schnellladebatterien eher vorsichtig. Ihre Bedenken konzentrieren sich oft auf die Fragen, ob die Super-Schnellladetechnologien von 5C, 6C oder sogar 12C die Batterielebensdauer beeinträchtigen und ob die Sicherheit der Batterien im Super-Schnellladekonzept noch vertrauenswürdig ist.
36Kr hat in Gesprächen mit Batterieingenieuren festgestellt, dass Super-Schnellladetechnologien tatsächlich die Batterielebensdauer verkürzen.
Aber da die Batteriehersteller beim Versuch, die Ladegeschwindigkeit zu erhöhen, auch eine Reihe entsprechender Verbesserungen an den Batteriematerialien, -strukturen usw. vorgenommen haben, wird die Auswirkung der Super-Schnellladung auf die Batterielebensdauer in einem akzeptablen Rahmen 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-Schnellladekonzept angeht, besteht bisher noch kein Konsens.
Der Ladevorgang einer Batterie ist der Prozess, bei dem Lithiumionen die positive Elektrode verlassen und in die negative Elektrode einbauen. Bei der Super-Schnellladung bewegt sich die Lithiumionen sehr schnell, sodass es wahrscheinlich ist, dass sie nicht gleichmäßig in die negative Elektrode einbauen können, sondern dass sich Lithiumdendriten auf der Oberfläche der negativen Elektrode bilden. Wenn sich die Lithiumdendriten bis zu einem gewissen Grad ansammeln, können sie die Batterielebensdauer und -kapazität beeinträchtigen oder sogar noch schwerere Probleme verursachen, wie z. B. das Durchstechen der Separatorfolie und das Kurzschließen der Zelle.
Darüber hinaus gibt es beim Lade- und Entladevorgang von Traktionsbatterien ohnehin einen Atmungseffekt: Die Batterie hat bei vollem Ladezustand ein größeres Volumen und bei leerem Ladezustand ein kleineres. Im Super-Schnellladekonzept ist dieser Atmungseffekt noch deutlicher. Mit zunehmender Anzahl der Lade- und Entladezyklen dehnt sich das Batterievolumen aus, was die Alterung der Batterie beschleunigt. Alte Batterien neigen dazu, Gas zu entwickeln, was zu einer Batteriequellung führt und damit 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 zu erweitern. 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-Schnellladekonzept noch mehr unsicher macht.
Aus den Gesprächen von 36Kr mit Batteriefachleuten geht hervor, dass die Wahrscheinlichkeit, dass die oben genannten Probleme auftreten, für Elektromobile, die bereits 2 - 3 Jahre im Einsatz sind, beginnt zu steigen.
Aus diesen Überlegungen heraus haben einige Automobilhersteller es sich nicht zur Aufgabe gemacht, die Super-Schnellladetechnologie schnell zu implementieren.
Beispielsweise ist das kürzlich heiß 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“ verscherzt wird. Bei der Auswahl der Traktionsbatterie hat Leapmotor 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 Laden ihrer Fahrzeuge bezahlen müssen.
Da derzeit die Batterien, die eine Super-Schnellladung über 5C unterstützen, in der Regel eine starke Wasserkühlung benötigen, verbraucht das Laden unter der Bedingung der eingeschalteten Wasserkühlung zwangsläufig mehr Strom. Daher müssen die Nutzer mehr Geld für das Laden ausgeben.
„Gesprächspartner: A, mehr als zehn Jahre Erfahrung in der Batterieentwicklung bei führenden Automobilherstellern“
36Kr Auto: Seit Anfang dieses Jahres hat die Branche 10C- und 12C-Super-Schnellladetechnologien eingeführt. Hat dies Auswirkungen auf die Batterielebensdauer? Wie stark sind diese Auswirkungen genau?
A: Die Super-Schnellladung hat sicherlich Auswirkungen auf die Batterielebensdauer, aber diese Auswirkungen sind kontrollierbar und akzeptabel. Denn wenn die Batteriehersteller die Super-Schnellladetechnologie entwickeln, berücksichtigen sie immer die geplante Lebensdauer des gesamten Fahrzeugs. Selbst wenn die Batterielebensdauer abnimmt, kann die Batterie auf jeden Fall die Garantie von 8 Jahren und 150.000 Kilometern erfüllen.
Die Methode, wie die Hersteller die Auswirkungen der Super-Schnellladung auf die Batterielebensdauer testen, besteht darin, die Batterie bei 100 % Batteriegesundheit mit Super-Schnellladung zu laden und den Ladevorgang anzuhalten, wenn die Batterie auf 75 % abgenommen hat. Dann wird die Anzahl der Zyklen in diesem Prozess berechnet.
Natürlich gibt es zwischen verschiedenen Herstellern kleine Unterschiede bei den Testbedingungen, sodass die gemessenen Zyklenlebensdauern auch unterschiedlich sind. Es kann so wenig wie 700 Zyklen oder auch 1.000 Zyklen oder noch mehr sein.
Dies liegt daran, dass einige Hersteller erst anhalten, wenn die Batterie auf 70 % abgenommen hat. In diesem Fall wird die gemessene Zyklenlebensdauer natürlich länger sein. Andere Hersteller haben höhere Standards und halten bereits bei 80 % ab. In diesem Fall wird die gemessene Lebensdauer natürlich kürzer sein. Derzeit ist es die Hauptmethode in der Branche, den Test bei 75 % Batterieabnahme anzuhalten.
Nach der von den Batterieherstellern geplanten Reichweite entspricht ein Zyklus mehreren hundert Kilometern. Daher kann die Batterie im Super-Schnellladekonzept auf jeden Fall die Garantie von 3 Jahren und 150.000 Kilometern erfüllen.
36Kr Auto: Welches ist der Hintergrund, warum die Super-Schnellladetechnologie die Batterielebensdauer verkürzt?
A: Die Super-Schnellladetechnologie beeinträchtigt die Batterielebensdauer hauptsächlich aufgrund der Lithiumabscheidung, der Expansion während des Lade- und Entladevorgangs, die die mikroskopische Struktur der Batterie zerstört, und der Zerstörung und Wiederherstellung der SEI-Schicht, die aktive Substanzen in der Batterie verbraucht.
Bei der Super-Schnellladung bewegt sich die Lithiumionen sehr schnell. Nachdem sie die positive Elektrode verlassen haben, besteht die Wahrscheinlichkeit, dass sie nicht gleichmäßig in die negative Elektrode einbauen können, was zur Bildung von Lithiumdendriten auf der Oberfläche der negativen Elektrode führt.
Darüber hinaus gibt es beim Lade- und Entladevorgang von Traktionsbatterien ohnehin einen Atmungseffekt: Die Batterie hat bei vollem Ladezustand ein größeres Volumen und bei leerem Ladezustand ein kleineres. Im Super-Schnellladekonzept ist dieser Atmungseffekt noch deutlicher. Mit zunehmender Anzahl der Lade- und Entladezyklen dehnt sich das Batterievolumen 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 reagiert das Elektrolyt mit der negativen Elektrode der Batterie beim ersten Lade- und Entladevorgang und bildet auf der Oberfläche der negativen Elektrode eine SEI-Schicht. Mit der Zeit bricht die SEI-Schicht auf und bildet sich wieder. Bei jeder Bildung der SEI-Schicht werden aktive Substanzen in der Batterie verbraucht. Die Super-Schnellladung beschleunigt die Zerstörung der SEI-Schicht.
36Kr Auto: Haben die Super-Schnellladung unterschiedliche Auswirkungen auf die Zyklenlebensdauer von Batterien mit verschiedenen Materialsystemen?
A: Die Auswirkungen auf Lithium-Ionen-Batterien mit ternären Metalloxiden sind etwas größer, weil das Material dieser Batterien schichtförmig ist. Im Vergleich zu Lithium-Eisen-Phosphat-Batterien mit olivartigem Material wird das ternäre Lithium leichter zerstört. Unter Hochdruckbedingungen nehmen auch die Nebenreaktionen von Lithium-Ionen-Batterien mit ternären Metalloxiden zu. Darüber hinaus ist die Lebensdauer von Lithium-Eisen-Phosphat-Batterien von Natur aus länger, sodass sie weniger von der Super-Schnellladung betroffen sind.
36Kr Auto: Haben die unterschiedliche Umgebungstemperatur in Norden und Süden Auswirkungen auf die Auswirkungen der Super-Schnellladetechnologie auf die Batterielebensdauer?
A: Der Temperatureinfluss ist sehr gering. Traktionsbatterien haben alle eine elektromagnetische Schutzvorrichtung. Bei niedrigen Temperaturen wird die Batterie erwärmt, und bei hohen Temperaturen wird sie abgekühlt. Allerdings darf die Außentemperatur nicht zu hoch oder zu niedrig sein, z. B. 40 oder 50 Grad Celsius oder minus 30 Grad Celsius. Wenn die Temperatur zu hoch ist, werden die elektrochemischen Reaktionen der Traktionsbatterie zu heftig, und der Verbrauch von Lithiumionen nimmt zu. Wenn die Temperatur zu niedrig ist, wird das Elektrolyt zu zähflüssig, und die elektrochemischen Reaktionen in der Traktionsbatterie werden sehr schwierig. Aber solche extremen Klimabedingungen treten nur selten auf.
36Kr Auto: Welche Anpassungen werden an den Batteriematerialien vorgenommen, wenn die Batteriehersteller die Super-Schnellladetechnologie entwickeln?
A: Zuerst das negative Elektrodenmaterial der Batterie. Das derzeit häufig verwendete negative Elektrodenmaterial, künstlicher Graphit, ist schichtförmig. Um eine Schnellladebatterie herzustellen, muss zunächst der Abstand zwischen den Graphitschichten vergrößert werden, was gleichbedeutend mit der Erweiterung des Kanals für die Einwanderung von Lithiumionen ist. Dann müssen die Partikel kleiner gemacht werden, weil je größer die Partikel sind, desto länger ist der Kanal für die Wanderung von Lithiumionen. Indem die Partikel kleiner gemacht werden, wird der Weg für die Einwanderung von Lithiumionen verkürzt.
Aber das negative Elektrodenmaterial muss auch die Energiedichte und die Laderate berücksichtigen, daher müssen Partikel unterschiedlicher Größe gemischt werden. Wenn es zu viele kleine Partikel gibt, wird die Speicherleistung der Batterie abnehmen. Außerdem nimmt mit zunehmender Anzahl von kleinen Partikeln die spezifische Oberfläche zu, und die Nebenreaktionen werden heftiger.
Somit wird das Rohmaterial für die negative Elektrode der Batterie sicherlich verändert. Beispielsweise wurde ursprünglich nadelförmiger Koks als Rohmaterial verwendet, jetzt muss es in Petroleumkoks umgestellt werden, weil nadelförmiger Koks langgestreckt ist, während Petroleumkoks körnig und rund ist, was den Wanderungsweg der Lithiumionen verkürzen kann.
Darüber hinaus muss um den Graphit eine weiche Kohlenstoffbeschichtung angebracht werden. Die Kohlenstoffbeschichtung kann zusätzliche Elektronenübertragungswege bieten und den Reaktionswiderstand verringern. Außerdem kann die Beschichtung um die negative Elektrode diese schützen, sodass es weniger negative Reaktionen mit dem Elektrolyt gibt. Gleichzeitig wird die Stabilität der negativen Elektrode verbessert, und ihre Expansion während des Lade- und Entladevorgangs wird unterdrückt.
Das positive Elektrodenmaterial der Batterie muss ebenfalls die Energiedichte und die Laderate berücksichtigen, daher müssen auch Partikel unterschiedlicher Größe gemischt werden. Darüber hinaus muss das Zweifirnungsverfahren angewendet werden, und es muss mit Graphit, Kohlenstoff, Graphen usw. beschichtet werden. Das Prinzip ist ähnlich wie beim negativen Elektrodenmaterial, nämlich der Wanderungsweg der Lithiumionen zu verkürzen und den Widerstand beim Einbau der Lithiumionen zu verringern.
Was die Veränderungen auf der Elektrolyt-Ebene angeht, besteht hauptsächlich in der Änderung der Elektrolyt-Additive. Das Hauptziel besteht darin, den Wanderungskoeffizienten der Ionen zu erhöhen und die Bildung der SEI-Schicht zu kontrollieren. Dieses Additiv kann neues Lithium, VC (Vinylencarbonat) oder auch FEC (Fluorethylencarbonat) sein. Es gibt auch einige von Herstellern selbst entwickelte synthetische Additive.
36Kr Auto: Welche Veränderungen gibt es außer an den Materialien auch bei der Herstellungstechnologie und der strukturellen Gestaltung der Batterie?
A: Bei der Technologie ist es am wichtigsten, die Beschichtung der Elektrodenfolie dünner zu machen, um den Übertragungsweg 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 nimmt der Strom der Schnellladebatterie zu, daher muss die Kupferfolie der negativen Elektrode entsprechend dicker gemacht werden, und die Polfahnen müssen als Vollpolfahnen ausgeführt werden.
Bei der strukturellen Ebene 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, wodurch der Wärmeableitungskanal der Batterie erhöht wird. Ursprünglich war es eine einfache Polfahne, jetzt wird es eine Vollpolfahne, wodurch die Stromtragfähigkeit der Batterie verbessert wird.
Übrigens ist bei der Batteriepack-Ebene die Wärmeableitung ein größeres Problem bei der Schnellladung. Inner