远有固态,近有无钴,下一代动力电池有哪些新突破?


来源:EV视界

[导读]  中国电动汽车百人会第三届全球新能源与智能汽车供应链创新大会上,产学研专家从各自的角度研判了动力电池的技术现状与未来趋势。

中国粉体网讯  动力电池被誉为新能源汽车的“心脏”,技术突破将对电动汽车的性能提升产生决定性影响,也是电动汽车推广普及的关键。现在新能源汽车处于加速发展阶段,目前低成本车型以磷酸铁锂为主,高性能车以三元电池为主,一部分高端车型也采用了磷酸铁锂技术路线。

对于电池的要求,如何能做到让纯电动车和燃油车可以形成性能和经济性的竞争,一直是电化学行业努力的方向,能量密度、功率密度、安全性、循环寿命、环境适应性、成本等都是设计研发考量的因素。

在中国的四个国家级计划中,涉及到动力电池领域的目标分成三个层次:一个是高比能锂离子电池做到300Wh/kg,下一代锂离子电池希望做到400Wh/kg,新体系电池做到500Wh/kg,涉及到系统集成,还有固态电池的研发和产业化工作。

脚踏实地的展望下一代动力电池技术路线,远有固态,近有无钴,这些先进技术的产业化之路该如何走?又走到了哪一步?在中国电动汽车百人会第三届全球新能源与智能汽车供应链创新大会上,产学研专家从各自的角度研判了动力电池的技术现状与未来趋势。

升镍?降镍?

电池技术的发展进步速度很快,首先要搞清什么是下一代动力电池。



中国电池工业协会副理事长黄学杰是这样回答的:2010年的锰酸锂是第一代电池,日产聆风当初搭载的就是这种电池,续航里程在200公里左右,十年后的今天,大家买电动车必然会问到是三元还是铁锂,这就是第二代电池,续航里程比第一代增加了一倍多。下一代电池已经走到了第三代,而更远期的目标则指向了全固态电池。

每一代电池都是以正极材料来划分,从第一代走向第二代,带来了里程的加倍提升,从约200公里到了约500公里,从第二代到第三代,里程上又有了大约50%的提升,更重要的是成本也下降了50%左右。目前,磷酸铁锂电池的能量密度基本做到了170Wh/kg以上,三元材料的能量密度基本在200-260Wh/kg。

虽然这些年三元材料的变化花样最多,但降钴已是明确趋势,降镍和升镍成为两个技术方向。

黄学杰指出,关于降镍的方向,关键材料是镍锰酸锂,第一代材料是锰酸锂,一样的结构中把1/4的锰换成镍以后,这个材料做成的电池电压就提高了,跟石墨配对,电池电压在4.5V之上。磷酸铁锂电池的标准电压是3.2V,三元电池的标准电压是3.6V,镍锰酸锂的标准电压能到4.5V,能量密度也就有了优势。

因此,镍锰酸锂有机会得到更高的能量密度,更高的倍率性能,特别是低温下的高倍率性能,更好的成本,同时也更安全,但寿命是个难题,近20年来研究人员一直在努力,发现碳酸酯的电解液可以解决其寿命问题,用负极石墨,用铜作集流体,能够做得比三元材料寿命还好,即使是在高温下也仍然有很好的循环寿命,常温下更不必说。



如此一来,镍锰酸锂的优点就很明显了,如果把磷酸铁锂电池做一下改进:负极不改变,电解液基本不改变,外壳也不变,仅仅改变的是正极材料。镍锰酸锂的密度比较高,同样能做到100Ah,但是电压提升了40.6%,单位体积能量提升了40%,成本上每一瓦时反而有20%的降低。这就是去钴降镍的的效果。

还有一个技术路径是升镍,这是高容量三元正极材料的升级方向。

如果把镍的容量增加很多,能量密度可以继续提升,但问题是如何让高镍保证很好的寿命和稳定性。升镍的极限是做到全镍,把钴完全去掉,镍酸锂就成为一个重要方向,这种高能量密度电池就是三元锂电池的升级版。

第三代电池如果走向镍酸锂,三元的能量密度大概能提升40%,结合负极材料,从今天的不到700提升到1000Wh/L。



中国电子科技集团公司第十八研究所研究员肖成伟认为,磷酸铁锂系电池还会有进一步的技术提升。现在能量密度有的企业能够做到200Wh/kg,下一步希望做到230Wh/kg以上的水平;高镍低钴电池希望做到300Wh/kg;富锂锰基类电池,在降钴降镍的同时提锰,也有非常好的发展趋势,现在也是研究的热点,很多企业也在开发无钴的尖晶石镍锰酸锂研究。



从产业化角度,中航锂电乘用车事业总经理谢秋也认为,镍锰酸锂是下一代正极材料的候选,通过计算,现在的五系、六系的三元材料,锂只用了70%,其他30%不参与充放电,是一种资源的巨大浪费。镍锰酸锂参与反应的锂可以达到95%的水平,跟磷酸铁锂的利用率差不多,但是镍锰酸锂这种尖晶石结构的能量密度又会高很多。因此,低镍高锰从成本和资源的角度,是下一代电池材料的候选。

SK新能源中国事业总经理张炜介绍,作为全球最早生产811高镍电池的企业之一,SK新能源的电芯能量密度能够达到280-290Wh/kg左右,下一步正在准备生产“9半半电池”,计划明年全球量产,能量密度目前比811的电池有所提升。   

下下一代:全固态电池

再往远一点的技术路线,就是革命性的全固态电池,这也是各路英雄好汉的必争之地,希望通过原理创新做出全固态电池,为下下一代600Wh/kg的能量密度而努力。

肖成伟表示,固态电池的进展很快,高镍三元材料做的固液混合电池,液体转换到固态电池里,作为一个过渡技术和产品也有非常好的发展前景。 现在开发的固液混合锂离子电池,能量密度300Wh/kg,500次循环之后,能量密度保持98%的水平,体现出比较好的性能指标。

全固态电池从基础研究的角度,现在所列指标都是实验室达到的水平,还需要从高循环性的锂负极,包括钴界面反应等方面做深入的工作。



固态电池最大的问题是界面导电差,中国科学院物理研究所研究员李泓介绍,固态电池的难点是在膨胀过程中,固态电解质怎么能与正负极颗粒保持很好的接触,最好的状态是原子级别。他的团队采取的方法是基于原位固态化的混合固液电解质及全固态电解质电池,通过注液保持良好的电解质与电极材料的物理接触,之后通过化学或电化学反应将液体电解质部分或全部转换为固体电解质,综合平衡高电压、安全性、锂枝晶、体积膨胀、接触内阻等问题解决。



据李泓透露,中国这几家固态电池企业,都可能在明年底量产,大约都会提出GWh级的量产目标。

总而言之,高比能、高安全、长寿命、低成本、高环境适应性是动力电池产业发展的诸多考量因素。新体系电池、全固态电池、钴材料电池、高压安全、固液混合锂电池,与安全寿命相关的大数据分析和测试评价技术等,都是现在和未来一段时间大家关注的焦点和整个投入的重点。


(中国粉体网编辑整理/平安)

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