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    [云晟鋰電]鋰電池最新技術介紹

    目錄:電池技術發布時間:2021-07-17 16:55:47點擊率:

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    電動汽車發展如火如荼,動力電池作為最重要的部分之一,它的發展對電動車的續航和安全有著決定性的作用。最近我們經常聽到一些名詞比如固態電池、蜂巢能源的果凍電池、蔚來汽車鎳55電池、智己汽車摻硅補鋰以及CTP/CTC技術等。其實這么多技術方向,根本目的都是為了提高電池的能量密度和安全性。在這篇文章中,小編帶你來梳理下與之相關的技術路徑。


    提升能量密度和安全性的路徑


    先思考一個小問題:如果一個人去野外探險,背包裝滿了食物,那么如何讓食物供應更持久呢?最容易想到的方法一個方面是,裝的食物的熱量以及密度盡可能高,比如壓縮餅干、巧克力等,另一個方面就是合理分配包里面的布局,裝盡可能多的食物。


    工程師們絞盡腦汁的為了提高電池包的能量密度,也是用的類似兩個路徑:電芯密度提升和系統(電池包)密度提升。提升電芯密度相當于食物本身熱量更高;系統密度提升相當于背包里面裝更多食物。當然在提升能量密度的同時,安全性始終是重中之重。為了提高電池能量密度和安全性,廣大的工程師們做出了哪些努力以及當前出現了哪些新技術呢?現在我們就結合最近的新聞來探討下。


    1 如何讓食物本身的熱量更高?——電芯能量密度提升


    電芯由三部分組成,正極、負極以及正負極之間的電解質,提升能量密度就從這三方面入手,我們一個個來看。


    正極—鎳55單晶材料


    近期蔚來發布的100kWh電池包,也就是寧德時代此前宣布的“只冒煙不起火”電池,在不改變電池包外殼尺寸和幾乎不增重的前提下,能量密度提升37%,大幅增加了續航里程。新款電池采用的鎳55三元電芯,是能量密度提升的重要因素。它的正極材料是一種高電壓的單晶材料。什么是單晶?回答這個問題前,我們先看看正極材料的技術方向。


    所謂“三元”鋰電池指的是其正極材料有鎳、鈷、錳(NCM)三種元素,鎳用于提升容量,鈷為了穩定結構,錳作用在于降低成本以及提高材料的結構穩定。鎳比例越高、鈷和錳比例越少則能量密度越大,但安全性降低。


    為提升能量密度,NCM配比從“111(N:C:M=1:1:1)”,提升到“523”,再到“811”。該路線一直是三元正極材料發展的主流方向。


    另一個方向對應的就是單晶路線(重點來啦)。新發布的電芯正極使用的是單晶5系材料。單晶材料更適合做高電壓。目前,商業化的三元正極材料大多是由納米級別一次顆粒團聚形成的10微米左右的二次球型多晶材料。對多晶、單晶沒有概念的可以參照一下石英砂與玻璃,兩者同樣都是二氧化硅,石英砂就是多晶材料,玻璃則可以認為是單晶材料。



    多晶NCM內部存在大量晶界(grain boundary),在電池充放電過程中,由于各向異性的晶格變化,多晶NCM容易出現晶界開裂,導致二次顆粒發生破碎,比表面積和界面副反應快速增加 (圖3),導致電池阻抗上升,性能快速下降。而單晶型三元材料內部沒有晶界,可以有效應對晶界破碎及其導致的性能劣化問題[1]。因此,單晶結構可以實現更高的電壓,不僅如此,還提升了三元材料的循環穩定性,大幅提升了電池安全性。

    這是正極材料,下面看看負極。


    負極—“摻硅補鋰”技術:


    近期有消息稱,智己汽車正在與寧德時代共同開發“摻硅補鋰電芯”技術,雙方將共享技術專利。智己汽車表示,這款電池的能量密度較現在行業領先水平降高出30-40%,最高可實現約1000km續航、20萬公里零衰減,這款電池將通過電芯材料配方的優化、成組技術隔熱阻燃,以及全鑄鋁電池包殼體封裝技術,結合BMS端云協同管理保證電池安全。


    什么是“摻硅補鋰電芯”技術?


    傳統鋰離子電池的石墨負極密度較低,為追求高密度,新的負極材料硅碳、硅氧成為企業追逐的新熱點。但是硅氧會存在首次效率低,需要補鋰的問題。液態鋰離子電池首次充放電過程中,電極材料與電解液在固液相界面上發生反應,形成一層覆蓋于電極材料表面的鈍化層。這種鈍化層是一種界面層,具有固體電解質的特征,是電子絕緣體卻是Li+ 的優良導體,Li+ 可以經過該鈍化層自由地嵌入和脫出,因此這層鈍化膜被稱為“固體電解質界面膜”( solid electrolyte interface)簡稱SEI膜(正極也有層膜形成,只是現階段認為其對電池的影響要遠遠小于負極表面的SEI膜[2])。硅碳負極補鋰工藝是在硅碳負極表面預涂一層鋰金屬,該涂層與負極緊密接觸,在灌注電解液后與負極發生反應嵌入負極顆粒內部,預存一部分鋰離子在負極內部,從而彌補首次充放電或者循環過程中由于形成或修復SEI膜所需要消耗的Li離子。相比于高難度、高投入的負極補鋰工藝,正極補鋰就顯得樸實多了,典型的正極補鋰的工藝是在正極勻漿的過程中,向其中添加少量的高容量正極材料,在充電的過程中,多余的Li元素從這些富鋰正極材料脫出,嵌入到負極中補充首次充放電的不可逆容量。通過這種復雜的補鋰工藝,可以實現負極材料的密度提升。目前尚不知道智己汽車具體是哪種技術,但智己汽車將應用這種高端鋰電池基本已成定局。


    最后看看電芯能量密度提升的最后一環——電解質。


    電解質—固態電池 & 果凍電池


    當地時間12月8日,由大眾和比爾蓋茨支持的初創公司QuantumScape公布了其最新固態電池的消息,并表示電池將于2024年投產。此種固態電池,相較于傳統鋰離子電池有了顯著的改進:它們可以將電動汽車的續航里程提高80%。下面我們來探討下什么是固態電池,它的好處又是什么。


    在提高電池能量密度的同時,電池的安全性是不得不考慮的問題。從根本上消除鋰離子電池的安全隱患仍在于電池材料安全性的提高。但對于正極材料,這兩方面是矛盾的。比如,前面已經講到,提高鎳含量能夠提高能量密度,但是鎳含量提高意味著安全性降低.有什么辦法從別的方面加強電池的安全性,從而更放心的提升能量密度呢?這時候就要從電解質角度考慮了。大量研究表明,液態電解質參與了電池熱失控過程的大部分反應,并極大降低了電池的初始反應溫度,也就是讓熱失控的門檻變得更低。所以提髙電解質安全性是實現電池安全的最有效方法之一[3]。液態電解質的物理特性決定了其始終無法避免泄露,同時也不利于縮小電池體積從而提髙能量密度,因此為了提高能量密度和安全性,電解質的固態化就成了趨勢。我們把電極和電解質均為固態的電池稱為固態電池。固態電池電芯內部不含液體不僅安全性更高,還可實現先串并聯后組裝,減少了封裝殼體用料,PACK設計大幅簡化,這也提高了電池成組后的能量密度。

    與傳統鋰電池類似,固態電池由正極、負極和電解質組成。其結構比傳統鋰電池簡單,固體電解質充當了電解液和隔膜的雙重功能。正極材料與傳統的鋰電池并無本質區別。而負極材料為金屬鋰負極材料、碳族負極材料和氧化物負極材料。對固態電池來說,固態電解質的研究與開發最為重要,它的材料種類繁多,主要包括氧化物、硫化物、聚合物以及復合型固體電解質。


    除了大規模使用的液態鋰電池和正在研究中的固態電池以外,一種半固態的電池-果凍電池-進入人們的視野。2020年12月,蜂巢能源率先發布果凍電池,并接受預定。果凍電池是一種應用了新型果凍狀電解質的鋰電池,這種凝膠型電解質可以與電極材料的表面更好的貼合,具有自愈合、阻燃等特點,在幾乎不降低導電性能的同時阻止熱擴散。果凍電池可以說是液態電池向固態電池發展的一個過渡。


    2 如何裝的更多?——系統密度提升-電池包新技術



    除了提高電芯能量密度以外,讓同樣體積和重量的電池包里面裝更多的電芯,也是一種提高電池能量密度的方法。這里簡單介紹下目前比較新的電池包技術。


    去掉內部封裝——Cell to Pack (CTP)技術:


    一般電池不僅最外部有電池包,內部還有一組一組電芯形成的“模組”,所謂CTP就是無模組化,電芯直接打包,目前是企業提高能量密度的一個主要選擇。寧德時代、比亞迪、蜂巢能源均推出了無模組電池包技術。前一陣子比較火爆的比亞迪刀片電池就是基于磷酸鐵鋰電池,采用無模組設計提高了空間利用率。


    內封外包全去掉——Cell to Chassis (CTC)技術:


    特斯拉的電池日上,提出了一種結構化電池的方案(structural battery),把電池直接內置在汽車結構中。這種結構化電池技術與寧德時代此前提出的CTC技術類似,該技術將電芯和底盤集成在一起,再把電機、電控、整車高壓系統通過創新的架構集成在一起,并通過智能化動力域控制器優化動力分配和降低能耗。


    結語


    通過以上的介紹,相信大家已經對電池相關新技術有了一定的了解。雖然全固態電池的商用,還需要我們耐心的等待,但半固態電池、正極單晶材料以及摻硅補鋰技術,相信近期就能被我們體驗到了。

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