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【原创】2022高工锂电年会观察⑤:材料+工艺联动 策动电池多元创新
2022高工锂电年会 文章来源自:高工锂电网
2022-11-21 21:35:26 阅读:83830
摘要化学体系创新与结构创新正在相互支撑,赋能动力电池向更广泛的应用场景渗透。

动力电池产业向结构设计+材料创新2.0时代快速迈进。与前一轮创新局限于头部电池企业不同,随着技术的不断进步,新一轮电池创新主体更加广阔,多个动力电池企业都在基于自身的产品体系上实施多层级的创新。

材料创新方面,钠离子、磷酸锰铁锂、M3P、无钴电池等新电池呼之欲出,结构设计方面,CTP、CTC、JTM、MTC、One-Stop、MTB等创新层出不穷。化学体系创新与结构创新正在相互支撑,赋能动力电池向更广泛的应用场景渗透。

伴随动力电池的大规模制造、性能提升、品质提升、个性化应用场景深耕探索等,电池制造工艺必然面临升级,向高精度、高可靠、智能化的方向发展,来适应制造规模和电池体系的改变。

11月14-16日,2022高工锂电年会在深圳前海华侨城JW万豪酒店盛大举行,此次年会主题为“千军万马新动力 中国引领全世界”。

在动力电池专场二“更高更大 更精更快”上,比克电池、欣旺达、宁夏汉尧、嘉拓智能等企业高层,就“高容量电芯正负极材料的研究与进展”、“干法电极制造工艺及设备”、“富锂锰基正极材料应用现状”、“高比能动力电芯的挑战和开发策略”等主题进行了精彩分享。

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比克电池首席科学家林建博士分享了比克电池在尖晶石镍锰酸锂(LNMO)和新型硅碳、高容量硅氧材料等正负极材料的研究进展。

高压化发展趋势下,尖晶石结构的镍锰酸锂材料已成为正极发展的主流方向之一,目前尖晶石结构的镍锰酸锂材料理论比容可达133mAh/g,能量密度可达625Wh/kg,每瓦时成本为0.85元,兼顾高电压、低成本、高安全等核心优势。

比克电池通过本体掺杂、包覆、形态控制等方式优化镍锰酸锂材料结构,同时通过添加高电压添加剂及氟代溶剂改善电解液的性能,以克服镍锰酸锂电池产业化难题。

负极材料方面,比克电池将高容量硅氧材料作为研发重点。比克硅氧材料已由一代硅发展到三代硅,首效由77%提升至86%,并采用了先进的补锂技术,正极利用率逐步增加。

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欣旺达电动汽车电池中央研究院梁世硕博士分享到,高比能电芯成为主流主机厂开发高端车型的首选,但“高镍加硅”的材料设计路径,在电池循环寿命、膨胀、安全三方面带来严峻挑战。

高镍环境中,电芯结构稳定性下降,更易发生不可逆相转变,导致循环和安全性能恶化。硅基负极材料也面临着体积反复膨胀收缩而导致颗粒脱落、以及SEI持续生长带来容量衰减等挑战。

欣旺达研发团队自主开发了机器学习力场势函数,计算了29种掺杂元素对三元材料本征性能影响,选择最优掺杂元素。同时还通过体相均匀掺杂工艺和晶面取向调控,有效缓解颗粒破碎。

欣旺达通过仿真计算,调控氧含量,使硅氧材料体积膨胀降低一半;并通过调控硅酸盐相、均质掺杂技术,大大提升快充性能。电解液开发上,使用硅负极成膜添加剂、耐氧化溶剂、新型成膜添加剂等,改善产气、耐压性、相容性等问题。

以上述开发策略为基石,欣旺达推出的300Wh/kg电芯产品,具备长寿命、低循环膨胀率、高安全可靠性、模组无热扩散等优势。

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宁夏汉尧常务副总经理胡伟博士分享到,锂电池应用场景日益多样化、市场前景广阔,电池企业也在从结构创新加速进入到材料创新的2.0大时代,富锂锰基正极材料有望凭借高容量、高电压、低成本等优势,迎来规模化发展重要窗口期。

富锂锰基正极材料克容量最高可达320 mAh/g,远高于磷酸铁锂正极材料和三元正极材料,同时,富锂锰基正极材料以较便宜的锰元素为主,贵重金属含量少,与能量密度高的三元正极材料、钴酸锂正极材料相比,材料成本更低。

但受限于首圈库伦效率低、容量和电压衰减严重、倍率性能差等性能瓶颈,富锂锰基材料迟迟未能实现产业化。宁夏汉尧主要通过一系列关键性技术创新,率先实现了富锂锰基正极材料的批量化生产。并在宁夏银川、江西宜春、天津东丽等地建立了多个生产基地和研发测试中心,规划产能6万吨/年。

富锂锰基正极材料的开发方法有共沉淀法、溶胶凝胶法、高温固相法、水热法、喷雾干燥法等,宁夏汉尧采用的是共沉淀+高温固相的技术路线。目前宁夏汉尧生产的富锂锰基正极材料已经在电动两轮车、电动物流车、电动高尔夫车、电动叉车以及数码电池等领域批量应用,同时还在开发应用于高端乘用车和储能领域的新型产品。

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嘉拓智能副总裁周研表示,现有的湿法涂布工艺难以实现TWh级别的生产规模,为同时满足电池能量密度和循环寿命提升需求以及电池绿色生产的需要,嘉拓智能提出了干法电极制造工艺。

相比于传统湿法电极工艺,干法电极制造工艺省去了湿法涂布后的烘干过程,可节约溶剂、缩短工时、避免溶剂残留、降低设备复杂度,同时也可大幅提升电池能量密度及极片制造效率。此外,嘉拓智能实现的工艺及设备迭代升级还包括:

电极膜成型减薄工艺和设备(多级辊压):通过辊压技术将粉料辊压成厚膜,经多次热压减薄后收卷或与集流体进行复合,保证膜片不断带的情况下减薄至指定厚度并提高压实密度。

电极膜成型工艺和设备(双钢带系统):通过双钢带辊压技术实现干法电极自支撑膜的制造,钢带系统可以作为自支撑电极膜的载体,减少电极膜在辊对辊制造、高速运动过程中的断带现象。

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