演讲嘉宾：通用汽车全球研发中心，孔德文研究员
演讲题目：《高性能负极锂离子电池》
大家上午好！我是孔德文，来自通用汽车电池研发中心。非常荣幸有机会在这里与大家分享我们团队在快充锂离子电池负极材料研究方面的最新进展。
下面我来谈谈我们汽车行业追求的“三零”愿景。首先是零碰撞，这依赖于自动驾驶技术的实现；其次是零拥堵，这要通过车联网技术来达成；最后是零排放，这需要电气化的手段来实现。而今天，我将重点介绍零排放的相关内容。
在迈向零排放的征途中，我们拥有多样化的解决方案和产品路线，从12V启停系统、48V微混系统，到300V的插电式及增程式混动系统，再到400-800V的纯电动车，每一步都代表着对化石能源依赖的减少。这张PPT清晰地展示了电池包电压的逐步提升与化石能源使用的逐步降低。我们相信，通过产品的多样化发展，可以逐步实现零排放的愿景。而今天，我将重点介绍我们在纯电动车用电池方面的最新进展。
这张ppt展示我们部分纯电车型，涵盖了不同的品牌和车型，从皮卡到SUV到轿车。
同时，我们在国内市场不断推出众多电动车型，包括纯电动车和混动车型。展示的纯电动车有凯迪拉克锐歌、奥歌，以及别克的E4、E5，还有蔚蓝系列。此外，从今年起，我们还推出了别克GL8和雪佛兰探界者的PHEV（插电式混合动力）车型，以满足不同消费者的需求。
我们的产品线广泛，电池平台也呈现多样化特点。电池模组采用了兼容并蓄的模块化设计，能够支持不同包装、尺寸和容量的电芯。这种设计非常灵活：当电芯在模组内垂直排布时，便于打造皮卡、SUV和跨界车等大型车辆；而水平排布时，则更适用于底盘较低的性能车，同时也适用于中型车和紧凑型跨界车。
我们这种灵活多变的超前部署，为电芯技术的未来演进预留了充足的空间。在保持整体电池架构稳定的同时，我们可以迅速改变并扩容电池模组，以便应用最新的电池技术和化学配方。
电池包的设计同样灵活多变，可以根据不同车辆的能量和续航要求进行灵活布局。它支持搭载6、8、10或12个单层排布的模组，以及专为全尺寸SUV和皮卡设计的24模组双层排布。此外，我们的电池管理系统还采用了业内首个应用于量产车型的无线连接技术，无需线束即可实时监测电池安全，进一步提升了电池系统的可靠性和安全性。
我们拥有丰富的产品线，因此对电芯的需求也相应较多。今天，我主要想和大家分享的是在高比能量和快充方面负极材料的研究进展。
在高功率和快充负极领域，BEV（纯电动车）主要使用两类负极材料：石墨和硅负极。这两者也可以进行掺混使用。
对于HEV（混合动力车）和某些对能量要求不是特别高或对充电寿命有特定要求的BEV，可以选择纯石墨负极。然而，如果追求更高的比能量或更快的充电速度，掺硅负极则成为更好的选择。硅负极材料有多种形式，包括氧化亚硅、硅碳复合材料，以及成本更低的冶金硅。
我们的研究团队正在积极探索这些负极材料的性能优化和成本降低，以期在不久的将来为市场提供更加高效、经济、环保的电池解决方案。
首先，让我们来谈谈快充石墨负极。尽管石墨的比容量相较于硅较低，但其成熟度高且成本相对较低。为了提升电芯的能量密度，一个有效的方法是采用厚极片设计，即增加石墨极片的厚度，并相应地减少集流体或在叠片工艺中减少叠层数，从而降低制造成本。我们选择了5.2mA/cm²的高单面载量石墨极片。
为了提升这种厚极片的充电速度，我们优化了配方并采用了全新的制造工艺，包括传统的湿法同步工艺。这款电芯设计与中叶三元正极相匹配，在现有的120Ah软包电芯中，可以实现580Wh/L的高比容量，同时保持约3-4C的快速充电能力。
此外，我们新的石墨极片制造工艺和配方在循环寿命方面表现出色，经过2000次0.3C的充放电循环后，仍能保持85%的容量。
为了进一步提高电池的比能量、增加续航里程，并满足降本需求，硅负极成为了一个更好的选择。与石墨相比，不同种类的硅负极都能提供更高的容量。而且，随着未来硅碳和硅负极的大规模量产，其每安时成本有望低于纯石墨。因此，接下来我将详细介绍我们在三类硅负极方面的工作进展。
我们首先聚焦于目前广泛应用的SIOX材料。这种材料在微米级的氧化硅基底上分布着纳米硅颗粒，3-10微米的氧化硅颗粒有助于改善与石墨复合后的浆料和极片加工性能。尽管氧化硅材料拥有高达1400mAh/g的容量，但其首次库伦效率较低，限制了它在石墨复合极片中的掺混量，通常不超过15%的质量比。从右侧的扣式电池充放电曲线可以看出，由于掺混量不高，曲线呈现出明显的石墨特征。
提升硅负极的掺混量可以进一步提升电芯的比能量，并对充电设备产生积极影响，因为硅具有合金化反应。接下来，我们讨论LSO材料，它与氧化亚硅相似，D50也相近。但经过特殊工艺处理，LSO的首次库伦效率可以接近石墨，因此在混料时无需考虑补锂或限制掺混量，掺混比例可从5%至60%灵活调整。然而，LSO也面临一些问题，如成本较高，特别是在锂价昂贵的时期，以及在快充或高倍率长循环下容量稳定性有待提升。此外，LSO的破裂会导致电极消耗、SEI增厚和电芯内阻增加，同时在循环后期极片黏附力下降。
通过核算，我们发现与纯石墨相比，掺混不同比例的锂硅氧可以显著提高重量比能量和体积比能量，尤其是体积比能量，因为电池包体积是固定的。在充电实验中，随着硅含量的提升，充电速率也相应提高。然而，当掺混量达到40%时，如果未进行优化，快充循环性能会显著下降。此外，车辆对热力寿命有严格要求，需要8年或16万公里的质保。在45度、80%SOC的日历寿命测试中，我们发现DCR（直流内阻）在不到150天内增长了30%，这对车辆来说是不利的。
为了优化LSO在电芯中的性能，我们从粘结剂、隔膜、电解液等多个方面进行了改进。使用软硬段共聚化合物如PAA-PHEA作为粘结剂，可以增强极片粘附力并改善循环性能。同时，选择具有更强力学强度的隔膜和更好的隔膜涂层来改善截面性能。在高镍体系对高硅体系的电芯中，我们实现了770Wh/L的体积比容量，20分钟充电至90%的保持率，并满足了USABC的快充要求。经过优化后的电芯在500个循环后容量保持率高达87%，在45度下的热力寿命测试中DCR增长得到了大幅抑制。
此外，我们还研究了硅碳体系材料。与氧化亚硅相比，硅碳的基底主要是导电材料，如硬碳、活性炭或石墨。硅烷裂解后，硅纳米颗粒可以沉积在基底孔隙中，从而减小极片的充放电膨胀。硅碳材料具有更高的容量和更好的充电速度，同时其客容量也较高。我们也对SI-C材料进行了开发，与氧化硅材料相比，SI-C在碳基底上生长纳米硅颗粒或纳米线。碳基底可以提供部分容量并具有更好的电导率，理论上可以拥有更高的容量和倍率性能。SI-C的半电池数据表明，它可以提供2000mAh/g的比容量和大于90%的库伦效率。同时，因为SI-C不含锂元素，所以不需要预嵌锂，从而降低了成本。
最后，我们认为冶金硅是终极解决方案之一。我们也进行了纯硅体系的研究，尤其是冶金硅。理论上，冶金硅可以带来更高的容量和更低的成本。然而，纯硅的电化学性能取决于加工过程和形貌。通过优化体系，纯硅负极在500次循环后容量保持率可达80%。
总的来说，石墨在快充方面有其局限性，而氧化亚硅是提升现有石墨体系能量密度的良好解决方案。锂硅氧具有高首效和高克容量，对电池能量密度和快充有帮助，且循环性能优秀。硅碳因碳基底而具有良好的导电性和容量性能，是非常有前景的材料。冶金硅长期来看可能是最低成本、最高克容量的选择，但需要更多开发工作才能应用于电动车上。
我的报告到此结束，谢谢大家！
提问：非常感谢您刚才的精彩演讲，您和周总都谈到了快充问题。周总详细讲解了锂离子的传导，而锂离子的传导和导电是相辅相成的。我想请教一下，快充技术对导电剂有哪些具体要求？是否必须使用单壁碳纳米管？或者还有其他方面的考虑？
孔德文回答：非常感谢您的问题。关于快充技术，我们BEV（电动汽车）电池的设计确实与HEV（混合动力汽车）有所不同，特别是极片的载量要求较高，以提升比能量。在这种情况下，仅仅使用点状导电碳可能不够，因此需要在正极和负极中加入一些长链导电碳。
至于您提到的4C-6C快充是否必须使用单壁碳纳米管（CNT），其实单壁CNT的性能确实很好，但成本也相对较高。在实际应用中，我们更倾向于使用点状碳（如SP）结合多壁碳纳米管（MWCNT），这样既能降低成本，又能与电解液形成良好的配合，如开发低粘度、高浸润性和高离子传输性能的电解液。因此，多壁CNT在很多情况下也能满足快充技术的需求。
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