汽车800V超充技术(三)—4C电池

2023年8月16日，宁德时代发布“神行”超充电池新品发布会，是全球首款磷酸铁锂4c超充电池。为了解决电动车用户群体从先锋用户走向大众用户，以及需求从续航里程转向补能效率，新产品的定位为实现普通大众的快速补能。

作为全球首款磷酸铁锂4c超充电池，充电10min，神行800里（400km）。低温性能方面，-10℃下实现30分钟充电80%SOC；续航里程达到700km，实现超长续航。

首先科普下概念，何为4C？

充电倍率指电池在规定的时间充电至其额定容量时所需要的电流值。对于动力电池，快充的平均充电倍率一般需达到 1C 或以上。电池的充放电倍率一般由 nC（Capacity）表示， nC 代表一小时充电时间能够充满 n 倍电池总电量，倍率值 n 越大充满电的时间越短。1C 指的是，如果电池容量是 100Ah，充电电流 100A，就是 1C 充电倍率。100Ah 的电池，若能一直以 1C 充电，理论上可以 1 小时充满。4C 指的是，电池在四分之一个小时（15 分钟）内充满。

充电效率对照

但对行业稍有了解的朋友们应该都知道，电池快充的难点是平衡高能量密度和倍率性能，同时高倍率会带来更为严重的析锂副反应和产热效应，总成电池的安全性能降低。以宁德时代的“神行”超充电池为例，为了解决这一问题，电池材料做了哪些升级，接下来简单介绍下。

一、负极：快充关键破局点，包覆与梯度分层极片设计

负极：快充主要限制因素，表面析锂+体相扩散

负极为快充主要限制因素。 由于动力学条件相对比较差， 因此在快速充电的过程中容易发生表面析锂的反应， 进而减少负极可供Li嵌入的有效面积， 一方面降低电池容量、 增加内容、 减少寿命， 另一方面界面晶体生长， 影响安全性。

石墨层状结构决定了锂离子必须从材料的端面嵌入，并逐渐扩散至颗粒内部，导致扩散路径较长，快充性能不佳。

负极：包覆与梯度分层极片构建快离子环  

从理论角度上来看，增强石墨的快充能力有以下两种策略：强化单一相扩散，指强化锂离子在石墨颗粒内部或在电解液中的扩散能力；增强界面动力学，指加速锂离子的去溶剂化，提高锂离子在固体电解质界面(SEI)膜的迁移能力。

宁德时代提出二代快离子环技术，对石墨表面改性（修饰多孔包覆层），为电流传导搭建高速公路。另外，多梯度分层极片设计，实现快充与续航的平衡。

负极：造粒/二次造粒影响快充性能

造粒影响石墨颗粒的大小、 分布和形貌， 从而影响倍率性能等。

小颗粒石油焦、 针状焦通过二次造粒得到较大粒度产品， 与同粒度产品相比， 能有效 缩短锂离子的扩散路径， 提高倍率性能， 同时也能提高材料的高低温性能和循环性能。

负极：硅负极是面向快充的更好选择

硅负极可从各个方向提供锂离子嵌入和脱出的通道，而石墨只能从层状端面方向提供，因此硅负极是面向快充的好选择。

硅碳复合（Si-CNTs）提供了解决硅负极体积膨胀、电子传输缓慢问题的有效途径；与纯硅相比，硅碳复合增加了负极的快充能力。然而，复合材料的使用仍然受到能量密度和高制造成本的阻碍。

钛酸锂、锂铌钨氧化物的掺杂同样可以在一定程度上实现快充性能的提高。

二、隔膜：高孔隙度隔膜

隔膜：高孔隙度隔膜  

隔膜性能直接影响锂离子扩散速度、电解液的保持性、体系内阻和界面结构的组成，从而对电池快充性能产生影响。

宁德时代为实现4C快充，在隔膜端改善隔离膜高孔隙率、低迂曲度孔道、锂离子液相传输速率。

三、电解液：溶剂化的调控、高导率的追求

电解液：溶剂化结构调控抑制共嵌

对石墨负极而言，在常规的低浓度电解液中，锂离子被大量溶剂溶解，形成锂离子溶剂化鞘层。当锂离子嵌入石墨阳极时，溶剂分子在石墨的夹层中发生共嵌入。调节锂离子的溶剂化结构，有效抑制溶剂分子共嵌入，是提高石墨的快充性能的一种有效策略。

2023年7月“2023中国汽车论坛第五届全球汽车技术发展领袖峰会”上，宁德时代首席科学家吴凯称，电解液在降低粘度方面取得了突破，重点攻克了导电率，并且研发了一些新的添加剂。

电解液：高电导率锂盐利于快充

在以酯类有机物为溶剂(碳酸乙烯酯/碳酸甲乙酯)(EC/EMC)的常规电解液中， 含双氟磺酰亚胺锂盐(LiFSI)的电解液具有比含其他锂盐(LiFSI > LiPF6 LiTFSI> LiClO4 LiBF4)电解液更高的电导率，因此利于快充。

得益于不同锂盐间的协同效应，采用锂盐混合物作为电解质也能改善石墨的快充能力。例如，在LiPF6基电解液中添加少量双草酸硼酸锂(LiBOB)，可以建立更为稳定的SEI膜，从而极大改善石墨负极的倍率性能和循环稳定性。

四、正极：导电网络构建是核心

正极：磷酸铁锂导电性较差， 快充易发热

磷酸铁锂导电性较差，构建超电子网络是核心。2023年8月16日，宁德时代“神行”超充电池发布会强调为磷酸铁锂正极搭建超电子网，提高锂离子脱出效率。

电池BMS与热管理要求提升：2018年电动汽车大功率充电试点专题研讨会上，宁德时代展示了自加热技术通过BMS电池管理系统识别电池状态，拟定速热控制策略，能使电池温度在15分钟内从-20℃提升到10℃，充电能力提高5倍，放电能力提高7倍。

正极：单晶不利，多晶占优；高镍不利，低镍占优

三元材料中，正极的镍含量越高，在循环过程中越容易出现体积膨胀的现象，其颗粒粒径会随着循环逐渐增大，而快充性能与正极颗粒粒径直接相关，因此高镍的结构稳定性不足以支撑其快充。

多晶的快充性能相较单晶会更好。单晶的烧制温度高，颗粒粒径大，多晶的一次颗粒粒径小于单晶，因此快充性能更好。

正极：面密度/压实密度影响快充性能  

面密度和压实密度的差异影响锂离子传输途径，使得正极极片的电阻不同，从而影响到锂离子电池在大电流充电下的性能。

压实密度越小，在充放电循环中电池内阻增加较大， 随着压实密度增加，电池初始电阻越小， 大电流充电后电池内阻增加较小；但压实过大时，材料对电解液的浸润能力较弱，接触内阻增大，反而产生了负面影响。

正极：快充影响导电剂含量/种类的选择  

正极导电剂含量是影响电池高倍率放电性能的关键因素之一。正极中导电剂含量不足，大倍率放电时电子不能及时有效地转移，活性物质之间极化内阻迅速增大，致使电池的电压迅速下降至放电截止电压。

电池快充或要求更高含量的正极导电剂或更完整的导电网络（可选择碳纳米管构筑）。

总而言之，此次宁德时代磷酸铁锂4C快充技术的出现，不仅能为其企业经营带来积极效应，也是一次产业链的全面提升，也许会影响到未来纯电汽车的造车思路。

但目前来看也不是万事大吉，虽然充电速度是解决了，但补能设施又成了另一个问题。毕竟能支撑4C快充电池功率的充电站可谓是凤毛麟角，如果采用液冷超充站，不仅如今覆盖范围不大，建设成本还是原有充电站的两倍。

其中还有各品牌电池的协议问题，要不然换了一辆同样搭载4C电池的车型结果充不了，那也白搭。并且电网需要配储能来支撑多充电桩高倍率同时充电，这也并非汽车行业几家品牌就能解决的项目，还需要大量的时间和精力去不断完善。

只不过我们不得不承认，4C超充电池的出现加快了新能源汽车真正取代燃油车的进程，如果未来纯电动力车型补能过程真能做到5分钟以内，不存在续航焦虑，那也就意味着行业彻底进化升级了。