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把“命門”掌握在自己手中:寧德時代攻克鋰電池能量密度瓶頸

放大字體  縮小字體 發(fā)布日期:2019-03-18
核心提示:電動汽車因存在續(xù)航里程短、成本高等問題,許多潛在消費者對其望而卻步。鋰離子動力電池能量密度已成為其產(chǎn)業(yè)化瓶頸,為此美、日

電動汽車因存在續(xù)航里程短、成本高等問題,許多潛在消費者對其望而卻步。

把“命門”掌握在自己手中:寧德時代攻克鋰電池能量密度瓶頸

鋰離子動力電池能量密度已成為其產(chǎn)業(yè)化瓶頸,為此美、日、韓等國都制定了相關(guān)產(chǎn)業(yè)政策,其目標均指向“2020年能量密度達300Wh/kg”。日前,在國家重點專項支持下,寧德時代新能源科技股份有限公司研發(fā)團隊攻克高鎳三元材料及硅碳負極材料等關(guān)鍵核心技術(shù),率先開發(fā)出比能量(質(zhì)量能量密度)達304Wh/kg的電池樣品,在這一國際競賽中折桂。

打通“任督二脈”,補齊正極材料短板

鋰離子動力電池是目前應用最為廣泛的新能源汽車動力電池,是新能源汽車的核心部分。其優(yōu)勢在于能量密度高、循環(huán)壽命長,其技術(shù)難點在于穩(wěn)定性和安全性要求高、制備過程復雜,該核心生產(chǎn)技術(shù)一直掌握在世界少數(shù)幾個國家手中。

電池的能量密度,是指電池平均單位體積或質(zhì)量所釋放出的電能。“目前能量密度的提升,成為制約鋰離子電池發(fā)展的最大瓶頸,面臨著諸多世界級難題。”寧德時代首席科學家吳凱說,電池廠家可通過增大電池尺寸來達到電量擴容的效果,但電芯“變胖”或者“長個兒”只治標,并不治本。

究竟是什么限制了鋰電池的能量密度?

吳凱介紹,電池背后的化學體系是主要原因。一般而言,鋰電池的四個部分非常關(guān)鍵:正極、負極、電解質(zhì)、膈膜。其中正負極是發(fā)生化學反應的地方,相當于人體“任督二脈”。

由于目前負極材料的能量密度遠大于正極,正極材料就成為了“木桶的短板”——鋰離子電池的能量密度下限取決于正極材料,所以提高能量密度就要不斷升級正極材料。但是,我國高鎳材料開發(fā)起步晚,技術(shù)積累較為薄弱,制備工藝及裝備條件較為落后。

“批量穩(wěn)定供應高性能的高鎳正極材料,是高比能量動力電池開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)難點之一。”吳凱說,為此,寧德時代依托國家工程研究中心、福建省重點實驗室等重大科研平臺,通過與產(chǎn)業(yè)鏈上下游合作單位的協(xié)同開發(fā),優(yōu)化原材料合成工藝條件,提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,調(diào)整微觀結(jié)構(gòu)、控制材料形貌和尺寸分布,逐步實現(xiàn)了國產(chǎn)高鎳材料的規(guī)模化生產(chǎn)及應用。

與日韓競爭對手的同類材料相比,目前國產(chǎn)高鎳材料具備可逆容量高、壓實密度高、表面及體相結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定的特點,將打破日韓技術(shù)壟斷,提升國內(nèi)產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)水平及國產(chǎn)動力電池核心競爭力,打掉創(chuàng)新路上的“第一只攔路虎”。

顛覆傳統(tǒng),解決負極材料的硬傷

負極材料也是鋰離子電池的核心材料之一,目前大多采用石墨作為負極材料。隨著對續(xù)航里程需求的持續(xù)升級,傳統(tǒng)石墨負極已不能滿足市場對電池能量密度的期望。

據(jù)測算,硅基負極材料的比容量可達石墨負極的10倍,被看作是后者的“替代者”。傳統(tǒng)硅基材料的應用,主要采用碳包覆技術(shù),即在硅材料表面復合一層碳材料。吳凱介紹,但由于硅材料充放電過程中體積變化高達300%,多次循環(huán)后表面包覆的碳材料會破碎、脫落,對硅材料的保護作用大幅減弱,從而導致電池循環(huán)性能不佳。

這一世界級難題如“幽靈”一般困擾產(chǎn)業(yè)界10來年之久。

寧德時代摒棄了傳統(tǒng)碳包覆技術(shù),轉(zhuǎn)向研究人造電解質(zhì)界面膜包覆技術(shù)。歷時2年多,將這一技術(shù)應用到硅材料制備,開發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的新型人造電解質(zhì)界面膜包覆的硅碳復合負極材料,其循環(huán)性能表現(xiàn)顯著優(yōu)于國外產(chǎn)品,打掉創(chuàng)新路上的“第二只攔路虎”。

“與碳材料相比,人造電解質(zhì)界面膜與硅材料的結(jié)合作用力更強、彈性更好、不易破碎或粉化,對硅材料起到很好的保護作用,因此能夠在循環(huán)中大幅提高硅材料的界面穩(wěn)定性,從而提升電池的循環(huán)壽命。”吳凱說,此舉將促進我國充分掌握材料改性、前驅(qū)體合成等多方面的核心技術(shù),實現(xiàn)關(guān)鍵材料技術(shù)的國產(chǎn)化,為硅碳復合負極的逐步商業(yè)化推廣應用提供了重要保障。

完美“瘦身”,率先使用航空級別的“7系鋁”

把“命門”掌握在自己手中:寧德時代攻克鋰電池能量密度瓶頸

在能耗不變,體積和重量都受限的情況下,新能源汽車續(xù)航里程,主要取決于電池包的能量密度。

“這就考驗研究人員為電池包‘瘦身’的能力。”吳凱說,寧德時代首次將航空級別的“7系鋁”運用至電池包下箱體。“7系鋁”,鋁中的“戰(zhàn)斗鋁”,常被用于制造飛機起落架,具備輕盈、堅固、安全等特性。

吳凱告訴記者,“7系鋁”應用也具有很多風險,特別是應力腐蝕現(xiàn)象(金屬材料在某些特定的介質(zhì)中,由于腐蝕介質(zhì)和應力的共同作用而發(fā)生斷裂)。

“業(yè)內(nèi)普遍認為這是‘7系鋁’的技術(shù)難點,甚至是技術(shù)禁區(qū)。”吳凱說,為此,他們通過上百項的實驗及相關(guān)工藝改善,使得應力腐蝕指數(shù)控制在行業(yè)內(nèi)最高水平。目前,寧德時代已成功開發(fā)出“7系鋁”下箱體,并已量產(chǎn)。

至此,該企業(yè)電池包下箱體輕量化設(shè)計已處于世界領(lǐng)先水平。這一全新能量密度的動力電池,能使B級純電動轎車電池倉在現(xiàn)有基礎(chǔ)上,不額外增加空間,載能量(裝載電池的總電量)即可提升約50%;車載動力電池系統(tǒng)能量提高50%;整車重量可在現(xiàn)有基礎(chǔ)上減重250公斤,使該車型標準工況續(xù)駛里程提高到600公里以上……(消息來源于網(wǎng)絡(luò))

 

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