高比能動(dòng)力鋰離子電池開發(fā)與產(chǎn)業(yè)化技術(shù)攻關(guān)

秦興才

(天津力神電池股份有限公司，天津300384)

高比能動(dòng)力鋰離子電池開發(fā)與產(chǎn)業(yè)化技術(shù)攻關(guān)

秦興才

(天津力神電池股份有限公司，天津300384)

針對(duì)“新能源汽車”試點(diǎn)專項(xiàng)“高比能量鋰離子電池技術(shù)”的指南任務(wù)，天津力神電池股份有限公司聯(lián)合國內(nèi)一流鋰電材料企業(yè)、高校和科研院所，組建項(xiàng)目研發(fā)團(tuán)隊(duì)，以開發(fā)300 Wh/kg鋰離子動(dòng)力電池為目標(biāo)，重點(diǎn)圍繞電池關(guān)鍵材料、電池單體產(chǎn)業(yè)化、電池系統(tǒng)開發(fā)及裝車試運(yùn)行開展工作。

高比能量；動(dòng)力鋰離子電池；正極；負(fù)極

1　項(xiàng)目目的和意義

鋰離子動(dòng)力電池是新能源汽車動(dòng)力系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的核心。美國、日本、韓國和歐盟等都對(duì)動(dòng)力鋰電池新技術(shù)，特別是高安全性、低成本、長(zhǎng)壽命和高能量密度的動(dòng)力鋰離子電池新體系和新技術(shù)需求十分急迫！各個(gè)國家都投入大量人力物力，旨在攻克技術(shù)壁壘，在新能源動(dòng)力汽車方面搶占先機(jī)[1]。

我國政府也已經(jīng)在國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃 (“863”計(jì)劃)中專門開列了包括混合動(dòng)力汽車在內(nèi)的電動(dòng)汽車重大專項(xiàng)。展開了新能源汽車示范，對(duì)動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)化技術(shù)進(jìn)行了扶持和資金配套，使我國的動(dòng)力電池企業(yè)迅速發(fā)展，技術(shù)水平顯著提高。

基于更高續(xù)航里程的需求，科技部下發(fā)的“十三五”新能源汽車試點(diǎn)專項(xiàng)2016年度項(xiàng)目中，到2020年，我國鋰離子動(dòng)力電池的單體比能量將會(huì)達(dá)到300 Wh/kg。基于該指南，天津力神電池股份有限公司聯(lián)合國內(nèi)一流鋰電材料企業(yè)、高校和科研院所，組建項(xiàng)目研發(fā)團(tuán)隊(duì)，以開發(fā)300 Wh/kg鋰離子動(dòng)力電池為目標(biāo)，重點(diǎn)圍繞電池關(guān)鍵材料、電池單體產(chǎn)業(yè)化、電池系統(tǒng)開發(fā)及裝車試運(yùn)行開展工作。

本項(xiàng)目的實(shí)施，可顯著提升我國在鋰離子動(dòng)力電池全產(chǎn)業(yè)鏈的技術(shù)水平和產(chǎn)業(yè)化競(jìng)爭(zhēng)能力，提高我國在動(dòng)力鋰離子電池領(lǐng)域的市場(chǎng)份額。

2　項(xiàng)目總體目標(biāo)

本項(xiàng)目旨在開發(fā)比能量300 Wh/kg、循環(huán)壽命1 500次、安全性能滿足國標(biāo)要求、成本0.8元/Wh的電池單體；建設(shè)一條產(chǎn)能2億瓦時(shí)的電池單體生產(chǎn)線，在項(xiàng)目完成時(shí)實(shí)現(xiàn)銷售3 000萬瓦時(shí)或者裝車1 000輛。重點(diǎn)圍繞電池關(guān)鍵材料、電池單體產(chǎn)業(yè)化、電池系統(tǒng)開發(fā)及裝車試運(yùn)行開展工作。

3　研究?jī)?nèi)容

本項(xiàng)目的研究?jī)?nèi)容，核心為電池材料開發(fā)與安全研究，重點(diǎn)是電芯設(shè)計(jì)與工藝，兼顧電池系統(tǒng)的開發(fā)。

3.1關(guān)鍵材料的開發(fā)研究

正、負(fù)極材料的主要研究?jī)?nèi)容為材料合成工藝中的工程技術(shù)問題。

高鎳正極材料的開發(fā)：著重研究前驅(qū)體控制結(jié)晶合成技術(shù)、前驅(qū)體體相均勻摻雜、晶格修飾配方技術(shù)、富氧氣氛二次固相合成技術(shù)，研究鋰配比及分布、燒結(jié)溫度曲線等工藝參數(shù)，確定材料的梯度組成和制備技術(shù)；研究可將表面殘余鋰轉(zhuǎn)化成與基體晶格匹配、化學(xué)穩(wěn)定的LiAlO2的表面包覆技術(shù)；突破高性能、低成本材料的工程化關(guān)鍵技術(shù)，建立一條能夠?qū)崿F(xiàn)大批量連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)高鎳正極材料及其前驅(qū)體的生產(chǎn)線。

硅碳復(fù)合負(fù)極材料的開發(fā)：研究硅碳負(fù)極材料結(jié)構(gòu)構(gòu)筑、制備及產(chǎn)業(yè)化，保持高可逆克容量的同時(shí)解決首次效率以及體積膨脹對(duì)循環(huán)壽命的不利影響等問題。主要包括：研究納米硅及氧化亞硅前端制備技術(shù)，提高容量和效率；篩選作為骨架支撐結(jié)構(gòu)的石墨為內(nèi)核，提高首次效率和循環(huán)穩(wěn)定性；研究CVD包覆技術(shù)，包括包覆碳源選擇，提高電子電導(dǎo)率及循環(huán)性能；研究預(yù)嵌鋰技術(shù)，包括鋰源選擇及預(yù)處理?xiàng)l件，提高首次效率；各技術(shù)融合，確定各組分合適比例及產(chǎn)業(yè)化工藝。

新型電解液的開發(fā)：重點(diǎn)研究新型電解質(zhì)鹽二氟磷酸鋰、四氟草酸磷酸鋰對(duì)電池單體的影響，新型氟代溶劑、非碳酸酯溶劑與高鎳材料的匹配性，適用于高鎳正極材料的低阻抗正極成膜添加劑，以及匹配硅碳類負(fù)極材料的添加劑等[2]。

3.2電池單體設(shè)計(jì)與工藝優(yōu)化研究

極片設(shè)計(jì)主要研究正、負(fù)極片的活性物質(zhì)配比、涂覆量、孔隙率和電流密度對(duì)電池單體的循環(huán)壽命和倍率性能的影響；重點(diǎn)對(duì)負(fù)極配方進(jìn)行優(yōu)化，包括：粘結(jié)劑與導(dǎo)電劑的選擇與配比的優(yōu)化，涂覆工藝優(yōu)化，熱處理工藝和化成工藝對(duì)循環(huán)性能、循環(huán)過程中電池單體厚度膨脹的影響等。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)重點(diǎn)研究極耳位置和數(shù)量對(duì)電流密度、電池內(nèi)阻和倍率性能的影響，并開發(fā)與之相匹配的工藝與設(shè)備。

3.3電池單體的安全研究

熱失控機(jī)理研究：確定電池關(guān)鍵材料的電化學(xué)反應(yīng)機(jī)理及副反應(yīng)，分析電池在循環(huán)過程中產(chǎn)熱的來源；計(jì)算正負(fù)極材料的歐姆阻抗、電荷轉(zhuǎn)移阻抗、擴(kuò)散阻抗等產(chǎn)生的可逆熱和不可逆熱，將電化學(xué)性能與材料結(jié)構(gòu)演變進(jìn)行耦合，提出合理的高比能量鋰離子電池?zé)崾Э貦C(jī)理。

安全技術(shù)開發(fā)：研究電解液阻燃添加劑，采用新型涂層材料和涂層技術(shù)的高性能復(fù)合涂層隔膜；研究熱聚合材料的應(yīng)用工藝及其在電池?zé)崾Э貢r(shí)的作用效果和對(duì)電池性能的影響；研究熱增阻型陶瓷化轉(zhuǎn)變材料的應(yīng)用工藝與作用效果。

3.4電池單體壽命衰減研究

研究電池單體壽命衰減的機(jī)理和影響因素，著重研究正極材料表面和體相結(jié)構(gòu)變化、負(fù)極材料體積膨脹和形貌變化、正負(fù)極材料與電解液的界面特性、極片孔隙率與電流密度等因素與壽命衰減之間的關(guān)系；研究電池單體制作工藝對(duì)其循環(huán)性能的影響。

3.5均一性研究

從電池設(shè)計(jì)入手，研究電池材料、生產(chǎn)工藝、環(huán)境控制和生產(chǎn)設(shè)備的一致性對(duì)電池單體一致性的影響，并有針對(duì)性地進(jìn)行質(zhì)量控制技術(shù)開發(fā)，以確保電池單體的高度一致性。

3.6電池系統(tǒng)的研究

研究300 Wh/kg體系下的電池管理系統(tǒng)和熱管理系統(tǒng)，包括：SOC/SOH估算方法研究、均衡方法研究、對(duì)電池信息采集精度的研究；熱管理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及部件選型、熱管理控制策略等。

4　預(yù)期經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益

本項(xiàng)目預(yù)期在電池關(guān)鍵材料、電池單體開發(fā)制造和電池系統(tǒng)開發(fā)上形成技術(shù)突破，建立自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)體系，并實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)應(yīng)用，可有效帶動(dòng)上、下游產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，引領(lǐng)動(dòng)力電池發(fā)展方向。項(xiàng)目建成后，能夠提供鋰離子動(dòng)力電池的良好開發(fā)、生產(chǎn)環(huán)境。高比能動(dòng)力電池的量產(chǎn)應(yīng)用，可有效緩解電動(dòng)車現(xiàn)面臨的行駛里程不足的問題，促進(jìn)新能源車的推廣應(yīng)用，有助于擴(kuò)大新能源車的產(chǎn)業(yè)規(guī)模。

新能源車的普及應(yīng)用，可減小交通領(lǐng)域的碳排放，以及傳統(tǒng)交通運(yùn)輸工具帶來的廢氣、粉塵和噪聲問題，有益于環(huán)保；電力驅(qū)動(dòng)汽車使得交通運(yùn)輸能源多樣化、可再生化，降低國家對(duì)石油進(jìn)口的能源依賴度，提高國家能源安全水平；作為新興產(chǎn)業(yè)，新能源汽車其整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈覆蓋較廣，可以帶動(dòng)電池、儲(chǔ)能、電網(wǎng)等一系列行業(yè)的進(jìn)步，促進(jìn)汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，有利于我國經(jīng)濟(jì)長(zhǎng)期可持續(xù)的發(fā)展。因此，本項(xiàng)目社會(huì)效益明顯。

根據(jù)力神公司的發(fā)展規(guī)劃，到2020年將形成百億瓦時(shí)的動(dòng)力電池生產(chǎn)能力。本項(xiàng)目基于軟包電池所開發(fā)的高比能電池體系，可以拓展應(yīng)用于方形和圓形動(dòng)力電池，覆蓋全系列動(dòng)力電池產(chǎn)品。據(jù)此預(yù)期，項(xiàng)目建成后，直接和間接年產(chǎn)值將達(dá)到百億元人民幣，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

[1]肖成偉，汪繼強(qiáng).電動(dòng)汽車動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[J].科技導(dǎo)報(bào), 2016(6):74-78.

[2]XU K.Electrolytes and interphases in Li-ion batteries and beyond [J].Chemical Reviews,2014,114(23):503-618.

Tackling key technologies for development and industrialization of power lithium ion battery with high specific energy

QIN Xing-cai
(Tianjin Lishen Battery Joint-Stock CO.,LTD.,Tianjin 300384,China)

Based on the guideline of the power lithium ion battery with high specific energy of new energy vehicle, Tianjin Lishen Battery collaborates with the first-class domestic Li-ion battery material enterprises,universities and research institutes to develop the 300Wh/kg power lithium ion battery,focusing on key materials,cells industrialization,battery system development and demonstrations on vehicles.

high specific energy;power Li-ion battery;positive electrode;negative electrode

TM 912

A

1002-087 X(2016)10-2082-02

2016-08-10

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃新能源汽車專項(xiàng)(2016YFB0100500)

秦興才(1962—)，男，河南省人，正高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)殇囯x子電池。

薛原，E-mail:gmoffice@lishen.com.cn