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锂离子动力电池能量密度已成为其产业化瓶颈,

文章作者:必威-电工电气 上传时间:2019-10-09

业内分析认为,目前宁德时代的技术突破已获得实验成功,随着相关的技术逐渐进入市场化应用阶段,将显著提升国产动力电池核心竞争力。

宁德时代电池技术重要突破 能量达304Wh/kg

  • 2019年03月25日 10:36
  • 来源:新华社

记者从中国锂离子动力电池龙头企业宁德时代新能源公司获悉,近日该公司研发团队攻克动力电池正极和负极材料等关键核心技术,开发出比能量达304Wh/kg的样品,在国际市场上处于领先地位。 业内分析认为,目前宁德时代的技术突破已获得实验成功,随着相关的技术逐渐进入市场化应用阶段,将显著提升国产动力电池核心竞争力。 据业内介绍,锂离子动力电池是目前应用最广泛的新能源汽车动力电池,但电池的能量密度成为产业化瓶颈。“电池的能量密度,是指电池平均单位体积或质量所释放出的电能。”宁德时代首席科学家吴凯说,“如何进行能量密度的提升,成为制约电池发展的世界性难题。” 据透露,锂电池包括正极、负极、电解质等多个关键部分,正负极是发生化学反应的地方,相当于人体“任督二脉”。“由于目前负极材料的能量密度远大于正极,正极材料就成了‘木桶的短板’。”吴凯说,提高能量密度就要不断升级正极材料。 “批量稳定供应高性能的高镍正极材料是关键技术难点。”吴凯说,为此,宁德时代依托国家工程研究中心,通过与产业链上下游单位的协同开发,逐步实现了国产高镍材料的规模化生产及应用。 宁德时代公司还瞄准负极材料的硬伤。目前业内大多采用石墨作为负极材料。随着对续航里程需求的升级,石墨已不能满足市场对电池能量密度的期望,硅基负极材料被看作是“替代者”。 “传统硅基材料的应用,主要采用碳包覆技术,但多次循环后包覆的碳材料会破碎、脱落,导致电池循环性能不佳。”吴凯说,宁德时代转向研究人造电解质界面膜包覆技术。历时两年多,开发出具有自主知识产权的新型人造电解质界面膜包覆的硅碳复合负极材料,其循环性能表现显著优于国外产品。

完美“瘦身”,率先使用航空级别的“7系铝”

吴凯告诉记者,“7系铝”应用也具有很多风险,特别是应力腐蚀现象(金属材料在某些特定的介质中,由于腐蚀介质和应力的共同作用而发生断裂)。

如何评价动力电池各技术路线的前景?

“传统硅基材料的应用,主要采用碳包覆技术,但多次循环后包覆的碳材料会破碎、脱落,导致电池循环性能不佳。”吴凯说,宁德时代转向研究人造电解质界面膜包覆技术。历时两年多,开发出具有自主知识产权的新型人造电解质界面膜包覆的硅碳复合负极材料,其循环性能表现显著优于国外产品。

“业内普遍认为这是‘7系铝’的技术难点,甚至是技术禁区。”吴凯说,为此,他们通过上百项的实验及相关工艺改善,使得应力腐蚀指数控制在行业内最高水平。目前,宁德时代已成功开发出“7系铝”下箱体,并已量产。

“与碳材料相比,人造电解质界面膜与硅材料的结合作用力更强、弹性更好、不易破碎或粉化,对硅材料起到很好的保护作用,因此能够在循环中大幅提高硅材料的界面稳定性,从而提升电池的循环寿命。”吴凯说,此举将促进我国充分掌握材料改性、前驱体合成等多方面的核心技术,实现关键材料技术的国产化,为硅碳复合负极的逐步商业化推广应用提供了重要保障。

欧阳明高:主要因素是它能解决目前困扰动力电池发展的两大关键问题,即安全性差和能量密度低。全固态锂电池有几个潜在的技术优势,首先, 它安全性高,由于采用高热稳定性的固态电解质,代替了易燃的常规有机溶剂电解液,电池燃烧问题可以得到有效解决。第二,能量密度高,由于金属锂的容量超高,基于相同正极时, 固态金属锂电池与常规液态锂离子电池相比,其能量密度可以得到大幅提升。需要说明的是,由于固体电解质密度和使用量高于液态电解质,在正负极材料相同时,全固态锂电池优势不明显。第三,正极材料选择的范围宽, 因为全固态锂电池可以直接采用金属锂为负极,不要求正极结构中必须含锂,一些高容量的贫锂态材料也可以作为正极;此外,无机固态电解质宽的电压窗口也为高电压正极材料的应用提供了可能。第四,系统比能量高, 由于电解质无流动性,可以方便地通过内串联组成高电压单体,利于电池系统成组效率和能量密度的提高。

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吴凯告诉记者,“7系铝”应用也具有很多风险,特别是应力腐蚀现象(金属材料在某些特定的介质中,由于腐蚀介质和应力的共同作用而发生断裂)。

日前,在国家重点专项支持下,宁德时代新能源科技股份有限公司研发团队攻克高镍三元材料及硅碳负极材料等关键核心技术,率先开发出比能量达304Wh/kg的电池样品,在这一国际竞赛中折桂。

第二个问题就是固/ 固界面接触性和稳定性差。液体跟固体结合是很容易的,渗透进去即可。但是固体和固体接触性和稳定性就是它的很大的一个问题。硫化物电解质虽然锂离子导电率已经提高,但是仍然有界面接触性和稳定性问题。

记者从中国锂离子动力电池龙头企业宁德时代新能源公司获悉,近日该公司研发团队攻克动力电池正极和负极材料等关键核心技术,开发出比能量达304Wh/kg的样品,在国际市场上处于领先地位。

“批量稳定供应高性能的高镍正极材料,是高比能量动力电池开发的关键技术难点之一。”吴凯说,为此,宁德时代依托国家工程研究中心、福建省重点实验室等重大科研平台,通过与产业链上下游合作单位的协同开发,优化原材料合成工艺条件,提高结构稳定性,调整微观结构、控制材料形貌和尺寸分布,逐步实现了国产高镍材料的规模化生产及应用。

由于目前负极材料的能量密度远大于正极,正极材料就成为了“木桶的短板”——锂离子电池的能量密度下限取决于正极材料,所以提高能量密度就要不断升级正极材料。但是,我国高镍材料开发起步晚,技术积累较为薄弱,制备工艺及装备条件较为落后。

问题:全固态锂电池有哪些特点特别是优势?为什么能引起全球动力电池产业的关注和投入研发?

据业内介绍,锂离子动力电池是目前应用最广泛的新能源汽车动力电池,但电池的能量密度成为产业化瓶颈。“电池的能量密度,是指电池平均单位体积或质量所释放出的电能。”宁德时代首席科学家吴凯说,“如何进行能量密度的提升,成为制约电池发展的世界性难题。”

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颠覆传统解决负极材料的硬伤

基于上述问题,特别是固态界面接触性、稳定性和金属锂的可充性问题, 真正意义上的全固态金属锂电池技术, 现在仍然还是不成熟的,还存在技术不确定性。目前展现出或者有突破的、有性能优势和产业化前景的主要是固态锂离子电池和固态聚合物锂电池。

“批量稳定供应高性能的高镍正极材料是关键技术难点。”吴凯说,为此,宁德时代依托国家工程研究中心,通过与产业链上下游单位的协同开发,逐步实现了国产高镍材料的规模化生产及应用。

电动汽车因存在续航里程短、成本高等问题,许多潜在消费者对其望而却步。

吴凯介绍,电池背后的化学体系是主要原因。一般而言,锂电池的四个部分非常关键:正极、负极、电解质、膈膜。其中正负极是发生化学反应的地方,相当于人体“任督二脉”。

第三个问题是金属锂的可充性问题。在固态电解质中,锂表面同样存在粉化和枝晶生长问题。其循环性甚至安全性等还需要研究。当然还有一个问题, 就是制造成本偏高。

宁德时代公司还瞄准负极材料的硬伤。目前业内大多采用石墨作为负极材料。随着对续航里程需求的升级,石墨已不能满足市场对电池能量密度的期望,硅基负极材料被看作是“替代者”。

在能耗不变,体积和重量都受限的情况下,新能源汽车续航里程,主要取决于电池包的能量密度。

电动汽车因存在续航里程短、成本高等问题,许多潜在消费者对其望而却步。

欧阳明高:它的第一个问题是固态电解质材料的离子电导率偏低。现在有三种固态电解质,一种是聚合物, 一种是氧化物,一种是硫化物。现在有用聚合物电解质的电池,搭载于法国的一些车辆上,它的问题就是需要加热到60 度,离子电导率才上来,电池才能正常工作。目前氧化物电解质一般比液态的还要低很多。只有硫化物固体电解质的一些指标接近液态电解质,比如丰田就是用硫化物的固体电解质,所以固体电解质主要的突破是在硫化物的固体电解质。

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