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下一代动力电池发力点:低钴、固态

作者:王凌方 来源:电动汽车观察家 发布时间:2021-10-22 浏览:

动力电池是新能源汽车发展需要攻克的最大瓶颈。

新能源汽车要满足续驶里程长、充电速度快、低温性能好,还要价格便宜,都需要动力电池技术的进步才能解决。

如今上游原材料的不断上涨,叠加“双碳”要求,又对动力电池提出了新的挑战。

2021年10月11-12日,2021第三届全球新能源与智能汽车供应链创新大会在南京举行。10月12日,“下一代动力电池产业化之路”上,业内专家和电池企业代表,对电池技术的发展趋势进行了深入分析,不约而同地将低钴和固态电池作为下一步发展的重点方向。

其中,低钴化又分为两个路线,高镍化和低镍化两个方向;一些企业还阐述了电池的负极、辅材技术,以及回收技术的发展方向。

01

大方向:正极降低钴含量

在中国电池工业协会副理事长黄学杰看来,2010年,日产聆风采用的锰酸锂技术,就是第一代动力电池技术,目前电池技术处于第二代,主流是磷酸铁锂和三元电池,里程比第一代多了一倍多一些。

黄学杰表示,铁锂安全性高,成本低一些,里程不够长;三元的里程足够长,还是贵了一些,还需要更安全一些,所以要接着往前走。

因此,黄学杰认为,三元电池降钴是大趋势。降镍和升镍也是不同的路线,降镍有一个办法是把三元变成二元的镍锰酸锂;也有一种升镍的办法,做高镍电池,让能量更高。

1)路线一:降低镍含量

黄学杰认为,降镍的方向,关键的材料是镍锰酸锂,第一代材料是锰酸锂,一样的结构尖晶石结构,将其中1/4的锰换成镍后,负极搭配石墨,电压可以在4.5V以上,“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,能大到4.5V,能量密度就有优势。”

虽然镍锰酸锂会有机会得到更高的里程、更高的性价比,以及更高的安全性,但电压提高后的寿命很难得到保证。

黄学杰团队通过特殊的界面层结构设计,以及电解液的功能性调整,大幅提升了镍锰酸锂电池的稳定性。同时,镍锰酸锂电池在做工、费用、配套负极、电解液、隔膜以及外壳等都没变化。

从产品性能上来看,黄学杰团队开发的镍锰酸锂相比磷酸铁锂能量密度提升约40%,价格降低超过20%,与三元电池相比,价格降低约40%,同时安全性更高。

中航锂电也认为尖晶石镍锰酸锂是下一代正极的候选材料。

中航锂电乘用车事业总经理谢秋表示,他们做了一个计算,现在正常的NCM 5系、6系的材料,锂只用到了70%,其他30%的锂是不参与充放电的,这是一种资源的巨大浪费。“尖晶石镍锰酸锂参与反应的锂可以达到95%,与铁锂的锂利用率差不多,但是镍锰酸锂这种尖晶石结构的能量密度又会高很多。”谢秋说。

谢秋认为,如果现在锂的利用率从70%提升到95%,意味着我们对于锂的需求就能下降大约30%。低镍高锰从成本和资源的角度,尖晶石镍锰酸锂正是下一代电池材料的候选方案。

2)路线二:提升镍含量

黄学杰提到的第二条降钴路线是升镍。为了提高容量,把镍的容量增加,正极材料的能量可以从160mAh/g提高到180mAh/g,进而继续提升到200mAh/g。

高镍电池的一大弱点就是寿命和稳定性相对较差,为了攻克这一短板,在国家重点研发专项的支持下,业内进行梯度材料研发。例如把钴完全去掉,做镍酸锂电池,路径是内部掺杂和外部梯度。

黄学杰表示,如果走向镍酸锂,三元的能量密度大概也能提升40%,结合一下负极合金化材料,可以从目前不到700Wh/L提升到1000Wh/L,“无论是铁锂还是三元,今天我们已经看到了40%的能量密度提升,以及成本改进的可能性,这些都会在镍锰酸锂里面显出来。”黄学杰表示。

在高镍领域,容百科技是走在前列的企业,宁波容百新能源科技股份有限公司总裁助理佘圣贤就很看到高镍材料的发展前景。

佘圣贤给出了一组数据,今年1—8月份,全球总体来说电池快速增长这里面有两块相对细分市场值得关注,磷酸铁锂增加了160%,三元材料领域的811增速更快,达到250%以上。

佘圣贤认为,今后电动汽车不光是移动工具,也是一个办公娱乐的载体,要求实现无人驾驶。这些对于耗电量的要求很高,要求在现在的基础上增加至少30%为了无人驾驶这些功能,接下来超过115度电成为一个标准的电池需求,这时候如果用铁锂的话可能要比用高镍三元整车要重400公斤,会带来很大的问题。

在佘圣贤看来,高镍材料成本未来几年会快速降低,大概的节点是在2025年高镍三元PACK瓦时成本接近于铁锂,2030年基本达到一致。

佘圣贤表示,实现这个快速降本是从不同层面做到的,首先从具体的材料层面像镍这些海外原料基地的开发会降低金属的成本。另外,随着高镍电池的大规模生产规模成本会降低,CTP、C2C电池模组技术也会用到高镍三元方面。未来固态电池其实正极材料用的大部分是高镍锰酸锂811和NCA路线。

容百方面,第一代Ni83体系的电芯技术已经成熟并大规模应用;第二代Ni90体系正在开发,已经进入小批量阶段;第三代Ni96体系正在和客户开发,预计2022年实现大规模量产。

中航锂电也在开发9系材料超高镍材料,以及预补锂、纳米硅等关键技术。据谢秋介绍,中航锂电现在做出来的成品,按照浅刺的标准,一毫米的钢针刺两毫米深度,可以通过试验,电池包表现为电压降低。

当然采用高镍正极材料,由于电池能量密度进一步提升,有助于车辆的轻量化,间接也可以达到降低碳排放的效果。

02

负极、辅材和结构创新

在实现固态电池量产前,业内专家和企业都在不断挖掘液态电池的潜力。

因此,除了正极以外,负极也需要不断改进和提升。

谢秋认为,一是负极材料要降低资源的消耗,考虑应用天然石墨,国内动力电池天然石墨用得比较少,也没有太用好,石墨化的过程也是高能耗的过程,下一步天然石墨也是大家要研究的重点方向。二是提升性能,如何不断提升能量密度,提升快充速度,包含这些天然石墨的包覆改性,硅材料的应用,是负极下一步要做的研究工作。

谢秋还提到了结构创新,中航锂电通过结构创新,达到简化电池包结构的目标。降低结构件的重量,就可以把重量、空间尽量让给活性物质。谢秋介绍说,他们第一代产品每升结构件的重量是400g,明年要推出的产品降到120g/L。

除此之外,电池中的DCR(直流内阻)也在不断降低,结构件本身的DCR,从0.2降到0.15毫欧,装配工序都在做极简化的设计。

中航锂电的结构简化,也体现在电芯上。谢秋表示,其发布的One-Stop的电池是继软包、圆柱和方形之后,第四种封装形式,在整个工艺装备上做了很多的创新。

谢秋介绍说,One-Stop可以在体系不变的前提下,能量密度大概能提升10%,包含零部件可以减少20%。在相同的空间内,可以由三元变成铁锂,因为体积能量密度更高,铁锂支持700公里,电池包的能量密度能做到160Wh/kg;做三元的话,里程能支撑1000公里,电池包的能量密度达到240GWh/kg。

谢秋表示,他们产品在今年四季度可以看到公告,电池包的能量密度可以达到220Wh/kg,明年开始大规模的量产。

03

固态电池路径探索

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解释说,固态电池的难点是,在膨胀的过程中,固态电解质怎么能与正负极颗粒保持很好的接触,最好是原子级别的。

对此,李泓有两个方案,一种是把固态电解质生长在正负极颗粒表面,另一种则是在电芯化成或者在电极制造的过程中,将液态电解质或者是浆料转化为固态从而实现。

李泓介绍说,他们团队现在采取的措施,负极采用硅负极或锂碳复合负极,加上固态电解质,加上SEI膜,正极是固态电解质包覆的正极,加上固态电解质粉体,再加上原位聚合的固态电解质解决方案。中间膜是PE、PP的基膜,两边涂上固态电解质。

李泓解释说,他们选择了LATP(Li1.5Al0.5Ti1.5(PO)4),主要是LATP在负极侧的活性,能够诱发SEI膜在负极侧生长,从而使得从负极到正极形成连续的离子通道,这是非常关键的一点。

另外LATP可以跟金属锂反应,可以防止锂枝晶的析出。综合下来,这个方案可以实现大容量电芯的生产,同时提高安全性,同时提高能量密度。

正极方面,目前有企业在向着Ni95、Ni98的方向发展,克容量甚至瞄着230mAh/g。

负极方面,李泓认为硅负极比较有前景。李泓表示,目前有不同种类的硅负极在不断发展,包括纳米硅碳,现在也在推出量产的产品。

在李泓看来,纳米硅碳现在要做动力电池还有非常大的挑战,膨胀的控制以及循环性,后期随着纳米硅技术新一代的解决方案,纳米硅碳有可能再次会替代氧化亚硅。因为目前碳包覆氧化亚硅的循环性、克容量基本上都能满足要求,但是为了产业化,需要发展材料层面的预锂化、预镁化,或者是电极层级预锂化,这为工程化带来巨大挑战。

此外,微米硅也值得关注。微米硅应用在全固态电池中,如果没有界面反应的话,也有可能成为固态电池重要的负极材料。

在李泓看来,辅助材料的改进也必不可少,他们做硅负极时逐渐开始使用单壁碳管,以减少碳黑的用量,从而保证循环过程当中的电子接触;隔膜开始使用固态电解质涂层隔膜尝试着替代。另外,集流体也有可能转化为MPCC(Metalized Plastic Current Collectord,在聚合物膜两侧沉积Cu, Al膜)这一类的,提高集流体的强度,同时减少集流体的重量。

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。

04

电池回收:缩短回收流程

针对回收,谢秋认为电池最好在车上的服役期间就把价值发挥完,退役后就进入回收阶段。

谢秋认为,目前回收技术算是第三代技术,一代很野蛮暴力的烧;第二代是破碎,把电池丢进去;第三代,中航锂电希望做精细化、自动化拆解,将铜箔、铝箔、正极、负极材料完整地分离出来,这样效率上会高很多,然后进行短流程的原位再生。

业内普遍的做法是将电池破碎完之后变成盐,硫酸钴、硫酸镍,再回收成材料。中航锂电希望缩短流程,材料层级直接做相关的再生,降低整体的碳排,降低成本。

目前看,降低钴用量方面,降低镍含量的尖晶石镍锰酸锂已经成为共识;高镍的三元电池也在逐步升温,通过负极、结构等各方面改进,液态电池仍然有一定的发展空间。明年一批镍含量更高,结构创新的锂离子电池将会推向市场。

固态电池领域,固液混合态电池也会在明年逐步亮相,一批半固态电池的产能也会开始投建。整体动力电池技术会呈现出小步快跑的状态继续前进。

转自:电动汽车观察家(王凌方)

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关键字:动力电池

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