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宁德新能源郑建明:高能量密度电池体系材料开

记者:admin 时间:2019-09-09 12:10  来源:未知
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  12月13日-14日,以“风起云涌、敬畏与生存”为主题的2018中国新能源汽车产业峰会暨第五届中国动力电池大会在深圳召开。本次盛会,共有30余位行业专家发表主题演讲,吸引到来自材料设备、动力电池、新能源汽车领域600余位产业家和企业代表,共同探讨新能源汽车共同趋势,交流解决方案。 我叫郑建明,在国内厦门大学到美国国家实验室,干了六年时间,去年时候回到ATL,在研究院从事新材料开发,今天主要从材料开发角度和大家做分享。首先介绍一下ATL。我们最早于1999年成立于中国香港,后来我们总部是定于福建省宁德市,我们在东莞还有另外一个生产基地以及PACK工厂,我们PACK工厂业务拓展到印度、美国加州。 接下来是结合我在材料研发当中的理解和大家做一些分享,纯属一家之言,讲错,请批评指正。我们还是围绕高能量密度、高安全以及比较合理的Cost,能量密度在275Wh/kg,还有能量密度在800Wh/L。从材料体系来看,正极材料用的锂钴。如果算能量密度从右图来看,三元像622、811能量密度将比我们锂钴有优势,特别是对车载电池来说,重量密度是比较关键的因素,是三元材料应用会以锂钴为多,如果不考虑Cost的情况下。在锂钴方面我们主要策略是不断提高充电电压,在提高充电电压的时候可以看到客容量是不断提升,我也发现随着客容量提升,循环寿命逐渐缩短,我们现在看的是4.48V体系,现在我们往4.53、4.55开发,挑战还是比较大的。 第二方面是讲一下刚才介绍到我们也在尝试做动力电池小型动力,这一方面我们用的是三元体系,三元体系镍不是特别高,这些体系从4.2V做到4.5V,高镍开发811,只冲到4.2V就可以有160mAh/g的程度,在深度脱锂的情况下,材料金和氧相对比较稳定。但是高镍材料有以下一些挑战,特别是材料合成过程中经常出现一些锂镍混合的现象,材料在700-800℃的情况下,结构不稳定容易从晶核突出,镍还原2价,其他一些挑战因为脱锂过程中晶核参数发生较大变化,导致材料之间的应力有大量增加。 在材料高电压过程中也会氧化电解液,电解液酸度逐渐增加,材料受到电解液的腐蚀影响,钴的熔出不断加剧,沉积到石墨表面。在俯冲过程中伴随其他负反应变化,比如阳极SEI的增厚和过度的脱锂。另一方面材料热稳定性也做了一些研究,我们发现材料事实上在加温到150℃的时候开始释氧,我们发现统计结果来看,在190℃以下的时候是比较缓慢的过程,到190℃以上甚至200℃以上的时候,相变急剧增加。 以“风起云涌、敬畏与生存”为主题的2018中国新能源汽车产业峰会暨第五届中国动力电池大会在深圳召开,宁德新能源材料科学家郑建明博士以《高能量密度电池体系材料开发与挑战》为题进行了演讲。 这里分析一下想法和策略,我们是掺杂和包覆,结合理论模拟、计算筛选,有效降低氧活性的因素,使得在高电压或者高温过程中,晶和氧不会失去。这是一个非常关键的问题,事实上颗粒破碎主要是跟内部应力增加有关,我们当时做的是采用很薄的磷酸锂的包覆,材料晶界起到缓冲的作用,所以这个材料在充放电过程中,虽然有相变,但是材料不会发生破碎。循环稳定性也得到很大提升,这两个主要是针对811体系做了一些策略性的改进工作。在负极方面,今后要开发300Wh/kg体系,硅是目前开发的重点,这也是我们现在开发不断提升阳极客容量,从350提升到600,甚至往更高750体系冲刺。如果开发更高能量密度体系,这也作用研究院开发范围。 另一方面是表面负反应,晶核表面有些氧不稳定。还有热稳定性方面的问题,热稳定性是高镍很重要的问题,高镍事实上在高温的时候,不是特别稳定,在高温过程中是表面的氧会失去,在200℃以上会产生大量热效应,这是其中一个案例,我们用811配石墨,这是8Ah的软包。我们研究材料微观结构的时候,材料在微观循环过程中,二次颗粒已经发生破裂现象,从微观来看一次颗粒里面,成状结构已经变成了类似无析结构的转变,还有破裂的现象。 从材料结构属性理解来看,我们知道在比较少的脱锂量来看,这个隔离性比较高。从脱锂量的提升,我们甚至到了O1项的转变,材料在冲到4.55V,对应0.8锂的时候,这个时候材料会发展比较大的相变,甚至发生坍塌,这是一个主要的挑战。这和我们几个案例和大家做分享,高电压体系俯冲材料衰变,高电压4.5V俯冲材料发现破坏存在,材料结构已经转变了。 我们采用的手段主要是两大方面,一个是通过材料掺杂和包覆,掺杂可以分为两大类,我们可以有掺杂不要太多元素,可以提到支撑的钴的作用。这是我们包覆的例子,在经过包覆之后,有一个包覆5-10纳米的包覆层,在这个阶段上,会有一个过渡层,说明包覆和热处理的过程中,有一部分元素发生了互相的迁移,这个对材料起到很好的作用。我们发现经过表面包覆,在4.48V体系的时候,我们可以进一步提升50-100万寿命,包覆之后事实上对表面界面稳定性起到改善作用。 宁德新能源材料科学家郑建明博士:各位专家、各位领导早上好,很荣幸受到大会的邀请在这里和大家做技术分享。 12月14日,宁德新能源材料科学家郑建明博士以《高能量密度电池体系材料开发与挑战》为题进行了演讲,以下是根据现场速记整理出的演讲内容: 以上就是我介绍的内容。这里花几分钟做一个小节。现象锂钴三元遇到能量密度的瓶颈,特别是811勉强做到300Wh/kg,将来要做到更高情况下我们需要开发更高能量密度的材料,比如富锂锰基,根据这些的体系也要解决稳定性问题。硅负极始终是体积膨胀效应问题。在金属锂必须要解决体积效应还有循环效率以及锂制晶的效率问题。电解液始终是非常重要的,跟我们的电池安全息息相关。 我们公司的市场占有率从统计来看,我们每5台笔记本就有一台是用我们ATL电池,每2台手机、每2台Pad、、每2台手环,都是用我们ATL的电池。从刚开始到2018年,公司生产总电池数超过50亿颗,如果和动力电池生产相比,用GWh来说的话,ATL算是一个小公司。 最后花1分钟时间和大家分享一下在锂金属方面的策略性工作。讲到硅的体系,对能量密度有提升,提升幅度始终还是有限的,加少量硅对能量密度有失去,加大量硅对能量密度有提升,锂开发到1000Wh/L,特别是金属锂,我们能量密度有希望大家500Wh/kg水平,VAD有望达到1000Wh/L,金属锂反应活性比较低,循环寿命比较短。锂是百分之百体积过程中,对于软包电芯来说,体积效应也是非常严重的,还有锂的熔点非常低,在没有循环过程中,锂熔点180℃,循环之后会降到150℃、140℃的温度,对安全来说,金属锂是今后研发过程中急需解决的。我们采用3D的结构化阳极,防止较大的体积变化,在界面保护层我们模拟SEI层成分,内层采用有机项,外面的电解液采用高溶度锂电解液体系。 对电池安全是一个很大的挑战,因为材料本身如果是没有破碎之前,BV比较小,是0.2-0.5的水平,我们即使表面不稳定,产生气体也比较少,如果材料发生破碎,电池温升比较高,可能呈十倍或者几十倍的增长,电池在充放电过程中产生很多气体,现代快报多媒体数字报刊平台..。特别是对于软包电池来说,这是一个很大的挑战。 硅的客容量非常高,在室温条件下客容量达到3500mAh/g。硅在迁移过程中会达到300体积膨胀,在充放电过程中颗粒发生了不断腐蚀,腐蚀过程中原来积累,电芯阻抗增加,导致寿命比较短。颗粒在破碎过程中会进一步渗裂痕的地方,产生更多副反应。还有电解液,循环过程中颗粒破碎,SEI也破碎了,这就会有更多副反应发生,如果采用一些比较好的成模添加剂,所成了SEI模可以一定程度上克制大量破碎导致副反应的发生和SEI不断积累,我们循环寿命在有效添加剂的情况下可以得到比较明显的改善。 我们公司产品应用主要还是定位于SAI产品,我们是来学习的,我们在动力电池方面做得不是特别多,在近年来将我们应用市场拓展到动力,应用在无人机、扫地机器人、小型动力体系。根据日本的调查报告,我们排名暂时排名第一。市场拓展是从蓝牙笔记本、手机、无人机、手环、游戏机等,将来拓展家庭储能。

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