Ausführlicher Bericht: Wohin geht die Reise beim Schnellladen für Fahrzeuge mit neuer Energie aus Batteriesicht?

1. Schnellladetrends von Batterien mit unterschiedlichen technischen Ansätzen

Bei der Nutzung von Elektrofahrzeugen sind den Verbrauchern vor allem die Themen Ladezeit und Reichweite wichtig. Mit dem aktuellen Stand der Technik ist es schwierig, sowohl die Ladezeit als auch die Reichweite zu erreichen. Daher wurden für Antriebsbatterien zwei Wege entwickelt. Eine davon ist die energiespezifische Fraktion, die sich auf die Reichweite konzentriert. Dabei wird die Reichweite von Elektrofahrzeugen hauptsächlich durch die kontinuierliche Verbesserung der energiespezifischen Kapazität von Lithium-Ionen-Batterien erhöht. Die zweite ist die Schnellladefraktion, die sich auf die Verkürzung der Ladezeit konzentriert. Dabei wird die Ladezeit von Elektrofahrzeugen hauptsächlich durch die Verbesserung der Schnellladeleistung von Lithium-Ionen-Batterien verkürzt. Durch den technologischen Fortschritt und eingehende Forschungen zu Lithiumbatteriematerialien können die Schwierigkeiten, die früher mit der Schnellladetechnologie verbunden waren, möglicherweise nach und nach gelöst werden.

●Was ist „Deep Comments on the Way“?

„Ausführliche Kommentare und Fragen“ ist die erste von Autohome erstellte Kolumne für Branchenbenutzer. Es wird von erfahrenen Praktikern der Automobilindustrie geschrieben und analysiert/enthüllt ausschließlich wichtige Branchenereignisse. Neben dem lebendigen Auftritt möchten wir Ihnen unsere Erkundungen und Überlegungen zur Natur der Dinge, zu Ursache und Wirkung sowie zu zukünftigen Möglichkeiten vorstellen.

Der Branchenkommentator dieser Ausgabe ist Shi Chenxing, ein unabhängiger Kommentator und Investor, der sich auf Investitionen, Fusionen und Übernahmen sowie Post-Investitionsmanagement in der Industriekette für Fahrzeuge mit neuer Energie konzentriert. Derzeit ist er General Manager von Xujiang Technology der Dongxu Group.

Lesen Sie den vollständigen Text in 30 Sekunden:

● Basierend auf den Meinungen verschiedener Parteien können wir eine Laderate von weniger als 1,6 C als langsames Laden, 1,6 C – 3 C als langsames schnelles Laden und 3 C und mehr als schnelles Laden definieren.
●Schnellladebatterien mit unterschiedlichen technischen Ansätzen haben ihre eigenen Vor- und Nachteile und eignen sich für verschiedene neue Energieprodukte.
●Ternäre Schnellladebatterien eignen sich für Personenkraftwagen, Lithiumtitanat und andere eignen sich für Busse und Titannioboxid könnte eine neue Richtung für das Schnellladen darstellen.
●Derzeit werden Schnellladebatterien hauptsächlich im Personenbusbereich eingesetzt. Zukünftig wird sich die Verbrauchsstruktur schnellladefähiger Power-Akkus in Richtung Nutzfahrzeuge und spezielle Logistikfahrzeuge verschieben.

1. Was versteht man unter Schnellladen?

Um Schnellladen zu verstehen, kommt man um einen Fachbegriff nicht herum: Lade- und Entladerate C, die einfach als Lade- und Entladerate verstanden werden kann. Die Lade- und Entladerate einer Lithium-Ionen-Batterie bestimmt, wie schnell wir eine bestimmte Energiemenge in der Batterie speichern oder wie schnell wir die Energie in der Batterie freisetzen können.

Gemäß der Förderrichtlinie für Fahrzeuge mit neuer Antriebsenergie aus dem Jahr 2018 werden Busse mit einer Laderate von weniger als 3C als reine Elektrobusse ohne Schnellladefunktion eingestuft, Busse mit einer Laderate von mehr als (einschließlich) 3C als reine Elektrobusse mit Schnellladefunktion. Allerdings gilt die Förderung für Schnellladungen nur für Busse mit neuer Energie, für Personenkraftwagen und Logistikfahrzeuge gibt es keine Standards.

Unter Schnellladen von Elektrofahrzeugen versteht man laut Branchen- und CATL-Definition ein Ladeverfahren mit einem Ladestrom größer 1,6 C, d. h. die Ladezeit von 0 % auf 80 % beträgt weniger als 30 Minuten. Basierend auf den Meinungen verschiedener Parteien schlägt der Autor vor, dass eine Laderate von weniger als 1,6 C langsames Laden ist, 1,6 C – 3 C langsames schnelles Laden ist und 3 C und mehr schnelles Laden ist. Die meisten Elektro-Pkw können eine „kleine Schnellladung“ durchführen, während die Laderaten von Schnellladebussen meist im Bereich von 3 °C bis 5 °C liegen.

Vergleichen wir die Lithium-Ionen-Batterie bildlich mit einem Schaukelstuhl: Die beiden Enden des Schaukelstuhls sind die beiden Pole der Batterie, und die Lithium-Ionen sind wie hervorragende Sportler, die zwischen den beiden Enden des Schaukelstuhls hin und her laufen. Beim Laden werden an der positiven Elektrode der Batterie Lithiumionen erzeugt, und die erzeugten Lithiumionen bewegen sich durch den Elektrolyten zur negativen Elektrode. Der als negative Elektrode verwendete Kohlenstoff hat eine geschichtete Struktur und verfügt über viele Mikroporen, in die die Lithiumionen gelangen und eingebettet werden können. Je mehr Lithium-Ionen eingebettet sind, desto höher ist die Ladekapazität.

Beim Schnellladen müssen Lithiumionen beschleunigt und sofort in die negative Elektrode eingebettet werden. Dies stellt eine große Herausforderung für die Fähigkeit der negativen Elektrode dar, Lithiumionen schnell aufzunehmen. Batterien mit gewöhnlichen chemischen Systemen erzeugen beim Schnellladen Nebenprodukte an der negativen Elektrode, die den Zyklus und die Stabilität der Batterie beeinträchtigen. Man kann sagen, dass Energiedichte und Leistungsdichte zwei sich gegenseitig ausschließende Aspekte derselben Batterie sind.

Unabhängig davon, ob es sich um die Ausrichtung der nationalen Politik oder die technologische Ausrichtung von Unternehmen handelt, wird im Allgemeinen eine hohe Energiedichte angestrebt. Wenn die Energiedichte der Antriebsbatterie hoch genug ist und ein Auto mit genügend Leistung geladen wird, um die sogenannte „Reichweitenangst“ zu vermeiden, wird der Bedarf an Schnellladung reduziert. Wenn die Kosten jedoch nicht gesenkt werden, wird es für den Markt schwierig, die großen Mengen an Strom aufzunehmen. Wenn wir also bequeme Lademöglichkeiten und eine angemessene Reichweite nutzen und gleichzeitig die Batteriekosten im Griff behalten können, können wir die Sorgen der Benutzer erheblich lindern und das Schnellladen wird seinen Wert haben.

2. Anwendungsperspektiven des Schnellladens von Batterien mit unterschiedlichen technischen Ansätzen

Die Ladegeschwindigkeit hängt eng mit den allgemeinen Technologie- und Designanforderungen von Akkumulatoren, Ladesäulen, Elektrofahrzeugen, Stromnetzen usw. zusammen, wobei der Akku nach wie vor der größte Einflussfaktor ist. Lassen Sie uns speziell die Anwendungstrends verschiedener Arten von Power-Batterien in Richtung Schnellladetechnologie diskutieren. Fast alle positiven Elektrodenmaterialien können zur Herstellung von Schnellladebatterien verwendet werden, ihre Anwendbarkeit sowie ihre Vor- und Nachteile variieren jedoch.

1. Ternäre Schnellladebatterien eignen sich besser für Elektro-Pkw

Ternäre Batterien werden aufgrund ihrer höheren Energiedichte höher geschätzt. Das Material selbst weist eine ausgezeichnete Leitfähigkeit auf, die Reaktionsaktivität ist jedoch zu hoch, was eine größere Herausforderung für die Schnellladesicherheit darstellt.

Zu den repräsentativen Unternehmen des ternären Batterie-Schnellladesystems zählen CATL und BYD. CATL hat Technologien für „supraleitende elektronische Gitter“ und „schnelle Ionenringe“ entwickelt, mit denen eine SOC-Aufladung von 5 % auf 85 % in 15 Minuten erreicht werden kann, mit einer Energiedichte von 190 Wh/kg und einer Zyklenlebensdauer von mehr als 2.500 Mal. Der Hauptanwendungsbereich liegt im Pkw-Bereich und es wird erwartet, dass das System im Jahr 2018 in die Massenproduktion übergehen wird.

Die im Mai dieses Jahres von BYD neu eingeführte 3.0-Hochenergiezelle verfügt durch die Verwendung von siliziumbasierten negativen Elektrodenmaterialien, nickelreichen positiven Elektrodenmaterialien und speziell entwickelten Elektrolyten über eine Energiedichte von nahezu 250 Wh/kg und ermöglicht so eine ultralange Reichweite von 500 Kilometern. Durch die Gestaltung der Ladestrategie kann die Ladezeit effektiv verkürzt und die Ladeeffizienz verbessert werden. Im extremen Notfallmodus kann eine Ladezeit von 10 Minuten eine Reichweite von 60 Kilometern erreichen.

Um entsprechend den Nutzungsgewohnheiten von Kraftstofffahrzeugen eine vollständige Aufladung innerhalb von 10–20 Minuten zu erreichen, muss die Laderate mindestens zwischen 3–6 C liegen. Derzeit können die meisten reinen Elektro-Pkw auf dem Markt in einer halben bis einer Stunde vollständig auf 80 % aufgeladen werden, was eine deutliche Verbesserung gegenüber der früheren Ladezeit von zwei oder drei Stunden darstellt. In Zukunft soll die Zeit noch weiter komprimiert werden, auf eine Genauigkeit von 20 Minuten.

2. Lithium-Eisenphosphat-Schnellladestationen sind sowohl für Personen- als auch für Nutzfahrzeuge verfügbar

Lithiumeisenphosphat hat im Bereich des Schnellladens keinen grundsätzlichen Vorteil. Aus Materialsicht ist die intrinsische Leitfähigkeit von Lithiumeisenphosphatmaterialien relativ gering und beträgt nur ein Prozent der Leitfähigkeit von ternären Materialien. Die Leitfähigkeit von Lithiumeisenphosphatmaterialien muss optimiert werden, um den Anforderungen des Schnellladens gerecht zu werden. Allerdings sind die Materialkosten für Lithiumeisenphosphat relativ gering. In Kombination mit einem ausgereiften technischen Hintergrund und einer stabilen Produktleistung ergeben sich breitere Anwendungsaussichten. Zu den repräsentativen Unternehmen gehören CATL, Watma usw.

Da Lithiumeisenphosphat durch die Extremwertgrenze der theoretischen Energiedichte begrenzt ist, wird es in Bezug auf die Energiedichte in Zukunft keinen großen Spielraum mehr geben. Bei Nutzfahrzeugen wie Bussen, Logistikfahrzeugen und Spezialfahrzeugen, die bereits auf das Lithium-Eisenphosphat-System umgestiegen sind, ist eine Erhöhung der Energiedichte jedoch nicht erforderlich und die Schnellladefunktion gewinnt zunehmend an Bedeutung.

2. Marktstatus und Perspektiven von Schnellladeprodukten

3. Lithium-Manganat-Batterien eignen sich für Plug-in-Hybridbusse

Lithium-Manganoxid-Batterien zeichnen sich durch gute Leistung, Entladeleistung, Niedertemperaturleistung und hohe Spannungsfrequenz aus. Darüber hinaus werden angesichts der explodierenden Preise für vorgelagerte Rohstoffe ternärer Materialien die Kostenvorteile von Lithium-Mangan-Oxid allmählich deutlich. Allerdings besteht hinsichtlich der Energiedichte, des Hochtemperaturverhaltens usw. noch Verbesserungsbedarf. In den letzten Jahren hat der Anteil von Lithium-Manganoxid-Schnellladebatterien im Bereich der Plug-in-Hybridbusse deutlich zugenommen. Zu den repräsentativen Unternehmen zählen CITIC Guoan Mengguli, Yipeng New Energy und Microvast Power.

Allerdings ist die Zyklenleistung von Lithium-Manganoxid-Batterien unter Hochtemperaturbedingungen schlecht. Die Hochtemperaturleistung von Lithium-Manganoxid-Batterien kann durch Dotierung der positiven Elektrode verbessert werden, das modifizierte Lithium-Manganoxid-Material ist jedoch nicht mehr das „ursprüngliche Lithium-Manganoxid“. In der Industrie werden häufig sogenannte „Multi-Composite-Werkstoffe“ verwendet. Die positive Elektrode verwendet ein gemischtes System aus ternären Materialien und Lithium-Manganoxid, und die negative Elektrode verwendet porösen Verbundkohlenstoff, um die Schnellladeleistung weiter zu verbessern. Allerdings muss die Sicherheit weiterhin im Mittelpunkt stehen und kontinuierlich verbessert werden.

4. Lithiumtitanat-Schnellladebatterie eignet sich für reine Elektrobusse

Lithiumtitanat-Batterien sind nach dem Material ihrer negativen Elektrode benannt. Die positive Elektrode besteht aus ternären Materialien. Typische Unternehmen sind Zhuhai Yinlong, Microvast Power und Tianjin Jiewei. Was die Leistung betrifft, weisen Lithiumtitanatbatterien eine ausgezeichnete Leistung bei niedrigen Temperaturen sowie eine gute Sicherheit und Recyclingleistung auf und ihre Leistung als Schnellladebatterien wird auch von der Industrie anerkannt. Allerdings gibt es derzeit zwei große Probleme mit Lithiumtitanat: Erstens ist die Energiedichte relativ gering. Aufgrund des Drucks der Politik und der Märkte, die eine kontinuierliche Verbesserung der Energiedichte fordern, ist der derzeitige Marktanteil von Lithiumtitanat auf dem gesamten Markt für Leistungsbatterien relativ gering. Zweitens sind die Kosten für Lithiumtitanat-Batterien aufgrund der hohen Kosten kleiner Metallmaterialien wie Titan, Nickel und Kobalt deutlich höher als bei anderen Systemen.

Lithiumtitanat-Akkus sind anderen Schnellladeakkus in puncto Zyklenlebensdauer deutlich überlegen. Dies liegt an den Eigenschaften des Materials selbst, nämlich der „Null-Dehnungs“-Eigenschaft. Die Nachteile liegen jedoch auf der Hand. Seine Energiedichte ist gering und beträgt nur etwa die Hälfte der des ternären Systems. Zudem ist der Preis relativ hoch und derzeit wird es vor allem in Schnellladebussen eingesetzt. Um diesen Mangel zu beheben, müssen in Zukunft dringend Materialien für positive Elektroden mit höherer Spannung und passende Elektrolyte gefunden werden.

5. Neue Richtung des Schnellladens – Titan-Nioboxid-Negativelektrodenmaterial

Titannioboxid wird auf Basis von Lithiumtitanat entwickelt. Sein Hauptvorteil besteht darin, dass die theoretische Kapazität von Titan-Nioboxid im Vergleich zur theoretischen Kapazität von Lithiumtitanat von 175 mAh/g etwa 280 mAh/g beträgt.

Im Oktober 2017 gab Toshiba offiziell die erfolgreiche Entwicklung einer neuen Generation von Lithium-Ionen-Batterien für Autos bekannt, die voraussichtlich 2019 auf den Markt kommen werden. Die Batterie besteht aus Titan-Niob-Oxid, was im Vergleich zu aktuellen ternären Lithium-Eisenphosphat- und anderen Technologien einen bahnbrechenden Fortschritt darstellt. Die neue Batterie bietet die Vorteile einer hohen Energiedichte und einer schnellen Ladeeffizienz. Das Aufladen auf 90 % der Leistung dauert nur 6 Minuten und ermöglicht eine Reichweite von 320 Kilometern. Derzeit dauert es durchschnittlich 30 Minuten, bis eine Lithiumbatterie zu 80 % aufgeladen ist.

Darüber hinaus erfreut sich das Konzept der „Graphenbatterie“ seit jeher großer Beliebtheit, es gibt jedoch auch Kontroversen innerhalb der Branche. Bei Lithiumbatterieanwendungen wird Graphen hauptsächlich als aktives Material für negative Elektroden und als leitfähiger Zusatz verwendet. Allein im Hinblick auf die Schnellladefähigkeit können durch die Verwendung von Graphen als leitfähiges Mittel oder durch die Verwendung von Graphen zum Beschichten von Lithiumeisenphosphat/ternären Lithiummaterialien bessere Schnellladeeffekte erzielt werden. Unter Berücksichtigung von Indikatoren wie Gesamtkosten und Prozessschwierigkeiten bleibt dies jedoch weiterhin eine große Herausforderung.

3. Marktaussichten für Schnellladeprodukte

Mit hoher Energiedichte, schneller Aufladung und niedrigem Preis ist dies das ideale Power-Batterieprodukt, auf das sich die Benutzer am meisten freuen. Allerdings gilt: „Man kann nicht alles haben.“ Im bestehenden Lithium-Ionen-Batteriesystem sind die fünf wichtigsten Indikatoren für Leistungsbatterien, wie z. B. Leistungsstärke, Energiedichte, Lebensdauer, Sicherheit und Preis, in einem relativ stabilen Radardiagramm festgelegt. Wenn ein Indikator verbessert wird, gehen die anderen Indikatoren relativ verloren.

Derzeit werden Schnellladebatterien hauptsächlich in Bussen mit alternativer Energie eingesetzt, da sie in Städten und Zielgebieten sehr selektiv sind. Das heißt, Städte oder Einheiten mit relativer finanzieller Unterstützung bevorzugen tendenziell schnell aufladbare Batteriebusse. Aus Sicht des Marktentwicklungspotenzials werden die Wachstumsrate und die Marktgröße von Personenkraftwagen und speziellen Logistikfahrzeugen jedoch künftig höher sein als die von Bussen. Daher wird sich die Verbrauchsstruktur schnellladefähiger Power-Akkus zukünftig in Richtung dieser beiden Fahrzeugtypen verschieben.

Laut Angaben von Battery China wurden in meinem Land im Jahr 2017 6.486 Schnellladebusse mit einer installierten Batteriekapazität von 597,52 MWh produziert, was 6 % der Gesamtzahl der mit neuer Energie betriebenen Busse entspricht. Unter ihnen hat das Schnellladebusprodukt die höchste Laderate von 6,42 C. Die Produktionsrate der Modelle 3C-5C beträgt 4.771 Einheiten und die installierte Batteriekapazität beträgt 480,68 MWh; die Produktionsrate der Modelle 5C-10C beträgt 1.715 Einheiten und die installierte Batteriekapazität beträgt 116,84 MWh. Derzeit konzentrieren sich die Schnellladeraten von Schnellladebussen hauptsächlich zwischen 3C und 5C. Was den Batterietyp betrifft, bestand das Batteriematerial der Schnellladebusse im Jahr 2017 hauptsächlich aus Lithiumtitanat mit einer installierten Kapazität von 571,54 MWh, was 95,65 % entspricht.

Gemäß dem Versandvolumen von vier Arten von Leistungsbatterien im Jahr 2017 werden 1,54 GWh Lithium-Manganoxid teilweise in Plug-in-Hybridfahrzeugen verwendet und erfüllen teilweise die Anforderungen für kleines und schnelles Laden, während Fahrzeuge mit ternären Batterien mit 16 GWh die Anforderungen für kleines und schnelles Laden teilweise erfüllen. Insgesamt eignen sich ternäre Schnellladebatterien für Personenkraftwagen, Lithiumeisenphosphat-, Lithiumtitanat- und andere Schnellladebatterien eignen sich für Busse, Lithiummanganoxid-Schnellladebatterien eignen sich für Plug-in-Hybridfahrzeuge und Titannioboxid könnte eine neue Richtung für das Schnellladen darstellen.

Als Gewinner des Qingyun-Plans von Toutiao und des Bai+-Plans von Baijiahao, des Baidu-Digitalautors des Jahres 2019, des beliebtesten Autors von Baijiahao im Technologiebereich, des Sogou-Autors für Technologie und Kultur 2019 und des einflussreichsten Schöpfers des Baijiahao-Vierteljahrs 2021 hat er viele Auszeichnungen gewonnen, darunter den Sohu Best Industry Media Person 2013, den dritten Platz beim China New Media Entrepreneurship Competition Beijing 2015, den Guangmang Experience Award 2015, den dritten Platz im Finale des China New Media Entrepreneurship Competition 2015 und den Baidu Dynamic Annual Powerful Celebrity 2018.