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當升科技李建忠:三元材料技術開發進展(2)

來源:中國電池雜志-中國電池網作者:武月 楊陽  2014-11-15 11:18點擊: 二維碼
【導讀】北京當升材料科技股份有限公司總經理李建忠做了《三元材料技術開發進展》的專題報告。

目前看現有的全球主流車企選用的材料體系,錳酸鋰、三元是日本和韓國的主要選擇,在錳酸鋰里面包括ESC等使用相對比較多一些。磷酸鐵鋰在咱們國家用得比較多,按照2013年的統計,80%都是磷酸鐵鋰,這跟我們國家在那個階段下出于安全性考慮,選擇了磷酸鐵鋰。好在三元也進入了中國電池的選擇驅動,出現了20%的使用,相信三元材料在中國得到很好的應用。把這幾種材料進行對比,都把它按照18650電池換算,從能量密度的角度看,磷酸鐵鋰能做到120至140Wh(指一個單體),但是如果用三元,用333體系的可以達到180至190Wh,如果把鎳含量提高到5,到523這個體系,可以達到超過200Wh,當然到了6就200以上了。在NCA,它的鎳已經在8以上。剛才說的NCM是鎳鈷。如果是鎳鈷錳里面的811體系,是差不多的一個水平。如果再高,那就要走下一步的富鋰錳基這一塊了。

動力鋰電正極的發展動向,從材料路線上來對比,錳酸鋰好于磷酸鐵鋰,鎳鈷錳多元材料NCM又好于錳酸鋰,鎳鈷鋁材料NCA又好于鎳鈷錳多元材料NCM,富鋰錳基材料又好于鎳鈷鋁材料NCA。我們再看國外的情況,從歐洲到日本、韓國的規劃方向,這是德國Fraunhofer ISI的研究數據,基于NMC材料,提升充電電壓來提升能量密度。2010至2015年主要開發LEP、NCM及高電壓NCM材料。2015至2020年主攻5V  Ni至Mn尖晶石和5V LiMPO4材料。韓國的材料,是分HEV、PHEV和BEV三種車型來看,HEV上是高功率密度,材料選擇是NCM+LMO,未來是走向純NCM。PHEV上是低成本、高能量密度,材料選擇為LMO+NCM再走向純三元,然后是富鋰和高鎳的。BEV這一塊,是高能量密度、長日歷壽命,材料選擇為LMO+NCM,走向純三元,未來也是走向高鎳和富鋰。如果把這幾種材料作為一個雷達圖比較,從安全、壽命等來分析,每個材料都有優勢和劣勢,但是相對來說,紅色的三元是最均衡的,相比其它材料里面,從高能量密度中等各個性能都是比較均衡的。所以,未來選擇三元可能是一個比較平衡的選擇方案。

從現在看,世界上這些車企使用的以及未來規劃的材料路線,日本的不管是錳酸鋰+NCM還是純粹的NCM,到未來都是三元材料為主。韓國也是如此。中國,原來大量的磷酸鐵鋰,但是未來想做的也有了三元的計劃。當然了,由于磷酸鐵鋰做得很成熟了,我們會保留,那么未來的方向上考慮的就是三元。所以可以看出,電池企業在未來搶奪2015年之后的200Wh/Kg的動力鋰電市場,未來3至5年,NCM/NCA將成為電動車用鋰電的主流正極材料。

從動力鋰電正極材料的發展動向來看,這當中存在著機會和挑戰。EV續航能力要求選擇比能量高的正極材料,給了很好的機會,特斯拉的成功也證明了多元材料可用于EV,國內的多元材料的制備和使用技術日趨成熟,積累了很多經驗,所以三元材料未來充滿著機會。當然了,如果要用好,還是要做好安全問題。據我所知,現在如果用三元做成軟包,18650的測試我不太清楚,真正通過針刺的不太多,但是可以告訴大家,我們一個國際客戶用622做的在去年就通過了針刺。從循環上,保管是常溫循環、高溫循環,都要達到2000周以上的要求。從它的高溫存儲性能和低溫放電上,還要把一些問題解決掉。特別是在制備過程中,用于動力電池的三元材料,如何把用電量控制下來,在制備過程中也需要進一步提升。

下面講一下當升科技關于這方面的解決方案。首先當升科技一開始就跟著日韓在走,所以一開始就沒有選擇磷酸鐵鋰。如果提高鎳含量,它的能量就會提升。從333到523,有150毫安時每克的容量,到了160,如果到了62就達到170左右,提高10%以上。當然如果用811或者用鎳鈷鋁,就有可能超過190。另外是通過了提高它的充電電壓,假設以NCM523為例,用0.2C進行放電,4.25V下可能是160多一點。如果到了4.4V,就可以達到185,到了4.5、4.6會更高,這是一個很大的難題。做高電壓的三元如果技術上有突破,將會在三元使用上有更大突破。目前,當升科技已經率先開發出一款可以用在4.3V和4.35V的產品,這個4.4V相當于4.35V全電的數據。所以高電壓是一個挑戰。另外可以通過摻雜,從鋰位上置換,或者到過渡金屬位置換,或者到晶格間隙位摻雜,提高它的晶格穩定,穩定材料晶體結構,使其耐受高溫、高電壓、反復充放電等。另外可以通過我們的包覆技術,選擇不同的包覆元素,穩定它的體系和使用壽命。當然在這個過程中,安全性能保證上,要有金屬雜質的控制,全流程雜質嚴格控制,避免直接引發電池短路爆炸的大顆粒金屬異物,也包括非金屬的。

通過這些方案,去年和國際上一個客戶合作,已經批量使用的做出的高容量、高倍率、高壓實密度的一款產品,去年獲得了國家創新新產品。當升材料研究的一個進展,這個紅色的,比容容量是比較好,從循環性能上也是如此。目前在日本和韓國的客戶中有所使用。我們提到的第二個產品是NCM622,具有良好的倍率特性,低溫性能好。從它的循環上等各方面都不錯。目前國內的動力電池上,測試下來是200Wh以上,目前承擔國內創新工程的幾家,測試下來達到180Wk/Kg,符合了驗收標準?,F在正在開發的也有NCA,現在還是開發階段,目前看,我們的關鍵性能都有一定優勢。同時還開發了富鋰錳基做實驗,下一步將改善它的性能。目前看,比容量和特性、循環性能都是不錯的。

我要說的是,從電池來說,要想做好它不是單一的某一個正極、負極,它一定是一個體系的匹配。你選擇一個什么樣的正極、負極,匹配性最好才能把電池做得最好。

我今天的報告就到這兒,謝謝大家。

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[責任編輯:武月]

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