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            激光焊接:下一代動力鋰電池技術如何發展?

            激光焊接:下一代動力鋰電池技術如何發展?

            • 發布時間:2022-01-04
            • 訪問量:276

            激光焊接:下一代動力鋰電池技術如何發展?

            動力鋰離子電池技術大致可以分為三代,以正極材料來劃分,一代正極材料,一代動力鋰離子電池。2010年的時候是第一代動力鋰離子電池技術,重要是錳酸鋰正極材料;第二代動力鋰離子電池重要是三元鋰電和磷酸鐵鋰作為正極材料,現在是風景正好,兩種技術各有優缺點,都要繼續提升。
            未來動力鋰離子電池技術,長遠來看是全固態電池,近期來看是是現有電池技術在材料上的持續創新,電池的正負極材料、電解液\隔膜等材料技術,都還有繼續往前走、繼續提升的可能。因為全球鈷資源緊缺,三元電池降鈷是大趨勢。此外,三元電池還有降鎳和升鎳不同的技術路線,降鎳是把三元變成二元的鎳錳酸鋰;升鎳則是做高鎳電池,讓電池能量更高。
            從技術研發展來看,無論是鐵鋰還是三元,今天都已經看到了能量密度提升40%的可能性,以及成本進一步降低的可能性,即在幾年內出現第三代鋰離子動力鋰離子電池。

            下一代動力電池怎么樣?

            什么叫下一代動力鋰離子電池?從過去10多年的發展過程來看,電池技術發展迭代得很快。正因為電池技術的進步,讓車輛的電動化程度得到快速的提升??偟膩砜?,動力鋰離子電池技術大致可以分為三代,都以正極材料來劃分,一代正極材料,一代動力鋰離子電池。2010年的時候是第一代動力鋰離子電池技術,重要是用錳酸鋰作為正極材料,典型的車輛是日產聆風,一次充電里程在200公里左右。今天第一代動力鋰離子電池已經走向了低速車和兩輪車為重要應用。
            今天,大家買電動汽車總是問是三元的還是鐵鋰的,這是三元和鐵鋰離子電池均是第二代動力鋰離子電池技術,基于第二代正極材料即磷酸鐵鋰和鎳鈷錳(鋁)三元氧化物正極材料?,F在電動汽車一次充電里程比第一代新增了一倍多,第二代電池現在是風景正好,鐵鋰離子電池應用從大車到小車,從動力到儲能,三元電池驅動純電動汽車的續航里程不斷提升,已經升到600-700公里。三元和鐵鋰離子電池各有優缺點,鐵鋰離子電池安全性高,成本低一些,但車輛續駛里程不夠長,三元電池使車輛的里程變長,但還是貴了一些,安全性要進一步提升,所以要接著往前走。
            我們現在講的下一代動力鋰離子電池技術,我的理解就是第三代。第三代動力鋰離子電池技術是什么?遠期的目標是全固態鋰離子電池。近期來看,是現有鋰離子電池技術在材料上的持續創新。
            正極材料還有沒有往前走的可能?有。從錳酸鋰開始,后面還有什么可以用作正極材料?有高電壓的尖晶石鎳錳酸鋰和高比容量的鎳酸鋰。負極材料,也能往更高比容量的方向走。
            但第二代到第三代動力鋰離子電池技術的提升,不太可能像之前一代走向二代相同,帶來續航里程的翻倍上升。動力鋰離子電池技術從第二代到第三代,預期續航里程上提升50%左右,成本下降50%左右。
            因此,第三代動力鋰離子電池技術中,相較于續航里程等性能的提升,成本下降更重要。降成本的話,材料應該往哪個方向發展?三元材料的種類多,但有一點是很明確的,降鈷是大趨勢。全球鈷資源鈷資源確實是越來越少。鋰資源現在還不太清楚,因為更多的鋰礦正在被發現,還有更多的鋰在海水里面。
            然后是鎳的問題,從儲量來看今后鎳可能也不夠用了。動力鋰離子電池技術上也有降鎳和升鎳不同的路線。降鎳,是把三元變成二元的,如鎳錳酸鋰離子電池;升鎳的辦法是做高鎳電池,讓材料的比容量更高。下面,重要講一下動力鋰離子電池降鎳和升鎳這兩個技術方向。
            降鎳的技術方向,關鍵的材料是鎳錳酸鋰。第一代動力鋰離子電池正極材料錳酸鋰中1/4的錳換成鎳以后,尖晶石結構不變,做成的電池電壓就提高了,它跟石墨配對,電池的電壓能達到4.5V往上。大家了解,磷酸鐵鋰離子電池的標稱電壓是3.2V,三元電池的標稱電壓是3.6V,這個能到4.5V,電壓提升了,電池的能量密度就有優勢。
            如今,三元電池車型的續航里程能做到700多公里,但是安全性稍微弱一點,價格也偏高一些,磷酸鐵鋰車型的里程也能夠接近600公里,價格會便宜一些。第三代動力鋰離子電池技術重要解決的就是怎么能夠做到既有很長的里程,又保證安全,還有更低的價格。從技術原理來看,鎳錳酸鋰離子電池有機會做到更長的里程,更高的性價比,同時更安全,但高壓體系壽命上往往有問題,怎么能夠保證該材料做成的電池具有長壽命。
            近20年我們重要在做這個事情。業內有觀點認為碳酸酯做電解液不行,我們認為是可以的。經過十幾年的研發測試,今天我們還是用碳酸酯,碳酸乙烯酯,碳酸甲酯這些溶劑來配制電解液,還是用石墨負極,能夠做得比高鎳三元電池的循環壽命還要好,不僅僅是在室溫下,在高溫下也沒問題,實驗數據已經充分證明。

            我們是怎么做到的呢?過去,鎳錳酸鋰很難實際應用,因為給它充電充到4.9V的時候,壽命短的問題出來了,人們還解決不了。我們通過特殊的界面層結構設計實現突破,即使是在高溫下面,電池也仍然有很好的壽命。就材料來說,(充放電)兩千多次以后還有90%以上的容量,有關全電池來講,也有兩千次以上的壽命,優于今天采用高鎳三元材料的電池。
            近年,中科院的研發團隊,從北京到廣東的松山湖材料實驗室正在做(鎳錳酸鋰離子電池)全鏈條的開發,從材料的技術到極片的技術,電解液也在做一些功能性的調整,重要是為了克服鎳錳酸鋰離子電池的重要缺點,即高溫下面的循環壽命問題。解決了壽命問題,該電池其它方面的優點都很明顯,高能量密度,高倍率性能,特別是低溫下的高倍率性能,還有成本的優勢,也更安全。
            從圖表可以看出,跟今天的磷酸鐵鋰離子電池相比,同樣的100Ah的電池,把磷酸鐵鋰換成鎳錳酸鋰做一下改進,負極不改變,電解液基本成分也不改變,做工、外殼都不要改變,就能夠實現電池密度的提升,電池容量同樣達到100Ah,電池電壓提升了40.6%,這樣電池的單位體積能量提升了40%,成本還能有每瓦時20%左右的降幅。這是材料去鈷降鎳的結果。
            還有一個技術發展路徑是升鎳,現在行業里大家做升鎳正極電池的積極性很高,到全世界去搶鎳資源。因為把三元電池正極里鎳的量提升,正材料比容量可以從160提高到180,繼續提升到200mAh/g。但這里面也有要解決的問題:做高鎳電池的時候,怎么保證有很好的循環壽命和穩定性。
            在國家重點研發專項的支持下,行業正在加緊做高鎳電池正極梯度材料研發。極限在哪里呢?極限是做到全鎳,把鈷完全去掉,做鎳酸鋰離子電池。
            從目前第三代電池技術的研發來看,無論是磷酸鐵鋰還是三元鋰電,今天都已經看到了能量密度提升40%的可能性,以及成本進一步降低的可能性。比如三元電池第三代假如走向鎳酸鋰的升級版,能量密度大概能提升40%,續航從今天的不到700提升到1000Wh/L;鐵鋰的能量密度同樣可以提升40%,還可以把成本再降20%。
            再遠一點,就是全固態電池,這是革命性的技術,科技部重點研發計劃新能源汽車專項希望通過原理創新開發出全固態電池,等下一代600Wh/kg的電池做出來時,動力鋰離子電池不僅僅能開汽車,也應能夠滿足電動飛機的動力需求。這就是是我簡要的介紹,請大家批評指正。

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