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锂动力电池的发展趋势及其技术路线

       6月21日,“第十八届中国青海绿色发展投资贸易洽谈会-锂产业国际高峰论坛”在青海省西宁市召开。浙江遨优动力系统有限公司副总经理艾群在会上发表主题演讲。以下为演讲内容:
       首先介绍锂动力电池的发展趋势,这几年动力电池的发展趋势非常迅猛。到2025年,整个新能源汽车的销量会达到660万辆,并且在纯电动和PHEV上的快速增长,已经超过了混合动力汽车。到2025年,整个预计的产能会达到85GWH,但是早上各位专家也说到,整个动力电池的产能已经超过了电动车对它的需求,但是高端电池的需求还是缺乏的。
       国家对动力电池的发展也做了一个具体的规划,到2020年的能量密度要达到300瓦时每公斤,成本要小于1.5,到后面要达到大于等于300瓦时每公斤,成本小于0.8元,寿命达到1500次,后面新型锂离子电池的能量密度要达到400瓦时每公斤,新体系要达到500瓦时每公斤。
       国家对整个电池的规划,从2020年到2025年,到2030年都有一个技术的要求,要求不断地提升,能量密度要达到越来越高,特别是系统的成本方面,要从1.3元/瓦时降到0.8元/瓦时。
       第一阶段在2016年到2020年,这个是技术的一个升级阶段。首先单体能量密度要达到300瓦时每公斤,成本要降低50%,达到0.6元/瓦时,这个是单体的,能量密度达到250。从2014年到2015年之间,动力电池的成本还是在2.5元到3元,但是2017年已经很快下降到1.6元到2元之间,整个还是非常符合市场对于动力电池的需求。
       第二阶段、第三阶段,我前面已经讲到,就不再累述。
       动力电池的一个发展关键,无非是这几个方面,说起来非常简单,但是做起来非常难,第一个是一次性要求非常高,除了单体以外,特别是成组之后的一次性,在安全性方面,因为它关系到人的生命财产安全的,所以在安全性方面也是一定要做到的。低成本、高功率的密度,免保养、好的高低温性能、环境友好、长循环寿命和快速充电。
       锂电池动力电池的体系发展路线,从目前来看还是在磷酸铁锂、三元还有锰酸锂加碳的体系,目前的能量密度已经达160到200瓦时左右了,后面还要继续发展,从高镍体系,NMC、NCA还有高镍的镍锰体系加碳,可以做到200到280瓦时每公斤。要做到250到400,除了政策的配合,还需要核心材料比如说硅碳、锡等材料的应用。要大于400以上,基本上体系方面要发生变化,像前面几位教授讲到的锂硫电池、锂空等新的体系的应用。
       在技术路线方面,我们分这三个方面来进行阐述。
       目前在动力电池方面按形状分有三种,方形、圆柱、软包,从这些产品的各项市场比例来讲,软包电池在近几年已经呈一个非常上升的趋势,在某些高端领域,比如说沃特、日产的这些电池都是应用的软包装电池。软包装电池的占比在以后的趋势中有望超过50%。软包装电池跟其它的两种方形和圆柱电池比较起来,最大的优点是安全性能,因为它是软包装,是通过PP膜热封封口的方式,所以承受的内压比较低,一般在2到3公斤就会释放压力,圆柱和方形锂电是通过软口或者是激光焊的方式,一般承受的压力在10到15公斤左右。所以如果当防爆阀不能完全打开的时候,可能会发生这种爆炸的问题,所以从三种形状上来比较的话,软包装的安全性能是略胜一筹的。
       还有软包装在充电和放电方面也是有优势的。从1997年开始,软包装就已经应用在MP3和数码电池领域,2001年开始应用在手机、蓝牙耳机,2004年应用在航模,2005年开始就已经在LEV,就是电动自行车、平板电脑上有应用。后面的几年就开始侧重于动力电池的应用,实际上从分析数据来看,近几年的动力电池方面的增长速度已经超过了消费类的发展速度。软包装的发展史基本上就是遨优的技术团队一起成长起来的。
       从新能源汽车产业链来看,主要分上、中、下游,上游方面主要是镍矿、石墨、锂矿、正负极材料的矿资源。中游主要是电芯材料这一块,正极、负极、电解液、隔膜还有一些其它的材料,中间就是我们电池制造和PACK组装这一块。下游面临的就是手机等等消费类电子,还有电动工具、电动自行车、电动新能源汽车和储能系统。
       新能源汽车成本方面分析,动力电池基本上已经占据了新能源汽车的50%的成本,所以为什么这么多大的乘用车厂一定要有自己的电池厂家和PACK厂家,这也是新能源汽车的核心技术,从成本上也可以看到。
       从整个动力电池的成本上进行分析,正极占到35%到50%左右,最近特别是正极材料涨价之后,基本上它的整个成本已经占到整个动力电池的50%。其它的比如说电解液、隔膜这些大概是占10%几左右。
       影响动力电池的寿命的几大因素,主要是从正极、负极还有电解液、隔膜,正极这一块前面包含正极材料厂家也介绍到,比如有一些包覆、掺杂、颗粒度前躯体的一些性能,都会影响我们动力电池的寿命。
       正极材料方面主要是要求氧化还原变化定位小,化学稳定性要好,还有颗粒、形貌、材料搭配,重点还有它的离子电导率,大电流的充放电性能。负极也是一样,希望形成必须好的SDI膜,能够快速容纳锂离子,能够快速充电和放电,放电性要非常好。
       电解液方面,我们通过研究新的材料搭配,还有SEI膜的成膜添加剂,还有一些过充的添加剂,因为我们新的国标要求对三元也有要求,要求它的电压要EC充,高于1.5倍的电压测试要能够过。所以在电解液方面还有正极包覆方面的结合要通过这个测试。
       电解液要对防腐蚀方面有添加剂,还有可以降低内阻、提高表面活性、提高正极成膜性能的添加剂。隔膜方面,我看到前面中科院的老师也介绍到,我们在隔膜方面,因为在动力电池应用方面要求安全性能要好,所以它的热收缩能力好,还有离子的导体,能够快速地通过离子导体的涂层隔膜,还有耐高电压的隔膜。
       现有的几种材料的比较,这里不再累述。目前来看正极材料有这样几种选择,一种就是目前我们用的最多的,就是三元523、622,甚至811这些可能都还在实验室的阶段,没有进行量产。还有镍锰的二元类的,这种可能就需要电压比较高,5伏的这种,还有特斯拉运用的这种镍钴锂三元材料,还有负锂的,我们非常看好,因为它这里没有特别贵的镍和钴这种金属,能量密度也非常高,如果能够非常好地应用这个材料,可以马上让动力电池的成本下降。后面还有一些钠、钾离子,这样就可以降低成本。
       我们对不同三元材料容量分析,随着镍的含量的添加,它的容量会越来越高,但是匹配它的就是需要一些高电压的电解液、隔膜,比如还有一些加工工艺方面的匹配。
       在电解液方面,通过一些新的锂盐来配合这个体系,比如说加一些ODFB,包括现在的一些TFSI和FFSI这些盐类,包括一些改善低温的二氟磷酸锂,通过在正极形成保护膜,使三元与正极电解液的反应,提高电池的寿命。
       富锂锰主要是在2到4.8伏,能够发挥250毫安时以上的容量。但是因为这个材料结构上的一些问题,还有它本身面临的一些局限性,可能有很多专家不看好这个材料,但是因为它锂扩散效率比较低,它的平台会逐渐降低这些缺点,所以包括科研机构和很多企业都没有很好地利用好这个材料,其实通过一些掺杂、改性、纳米化和改善包覆可以逐渐克服,目前在我们实验室已经有比较好的结果。
       后面还有磷酸锰铁锂主要是能够提高它的电压平台,能够保持磷酸铁锂的安全性能,并且提高能量密度,这也是有希望的一种材料,这一块材料就应用得比较成熟。还有就是前面提到的一些新的钠盐,硫酸铁钠等材料,不用磷酸锂合成的材料,也是新型的材料,它是可以降低成本的。
       负极方面目前大家纷纷都提到的也就是硅碳,但是因为硅碳自身的一些特点,比如说它的膨胀性和它的守时效率的问题,大家也都纷纷想办法解决这方面的问题,包括补锂,包括跟碳的一些复合,避免它的缺点,应用它的优点。把硅纳米化,和石墨烯掺杂,还有PV连接器都是为了更好地运用硅碳,再跟电解液的一些配合。
       除材料方面以外,在电池工艺方面也非常重要,这个也是影响我们动力电池的寿命的,首先第一点是涂覆的一次性,涂覆是动力电池的一个基本,如果这个程序没有做好的话,后面就很难做出性能非常好的电池。所以在涂覆方面,其实现在国内的自动化程度已经上到一个水平,现在我们都会应用这种挤压式的涂覆,能够控制在正负1的精度,并且通过Xre或者β射线控制涂覆的密度进行闭环控制。还有生产过程中的压实密度的一致性也对电池的性能影响非常大,特别是在负极的压实方面,会对电池的循环还有能量影响非常大。还有水分的控制。还有化成技术,软包装在化成技术上有一定的优点,可以利用高温加压化成的技术,圆柱或者是铝壳电池,铝壳电池目前采用负压,一个大气压左右,但是软包装可以加好几个这种压力,可以更密切地让正极和负极接触,手持的时候可以形成致密的膜,保持它后期的性能。
       还有保液量,有专家说后期把电池拿回来要进行补液,来让它的二次寿命能得到提升,进行二次利用。实际上补液量在首次的时候也非常重要,直接影响到电池的长循环的使用。

来源:电池中国网