動力電池是新能源汽車發(fā)展需要攻克的最大瓶頸。
新能源汽車要滿足續(xù)駛里程長、充電速度快、低溫性能好，還要價格便宜，都需要動力電池技術(shù)的進(jìn)步才能解決。
如今上游原材料的不斷上漲，疊加“雙碳”要求，又對動力電池提出了新的挑戰(zhàn)。
2021年10月11-12日，2021第三屆全球新能源與智能汽車供應(yīng)鏈創(chuàng)新大會在南京舉行。10月12日，“下一代動力電池產(chǎn)業(yè)化之路”上，業(yè)內(nèi)專家和電池企業(yè)代表，對電池技術(shù)的發(fā)展趨勢進(jìn)行了深入分析，不約而同地將低鈷和固態(tài)電池作為下一步發(fā)展的重點方向。
其中，低鈷化又分為兩個路線，高鎳化和低鎳化兩個方向；一些企業(yè)還闡述了電池的負(fù)極、輔材技術(shù)，以及回收技術(shù)的發(fā)展方向。
01
大方向：正極降低鈷含量
在中國電池工業(yè)協(xié)會副理事長黃學(xué)杰看來，2010年，日產(chǎn)聆風(fēng)采用的錳酸鋰技術(shù)，就是第一代動力電池技術(shù)，目前電池技術(shù)處于第二代，主流是磷酸鐵鋰和三元電池，里程比第一代多了一倍多一些。
黃學(xué)杰表示，鐵鋰安全性高，成本低一些，里程不夠長；三元的里程足夠長，還是貴了一些，還需要更安全一些，所以要接著往前走。
因此，黃學(xué)杰認(rèn)為，三元電池降鈷是大趨勢。降鎳和升鎳也是不同的路線，降鎳有一個辦法是把三元變成二元的鎳錳酸鋰；也有一種升鎳的辦法，做高鎳電池，讓能量更高。
1）路線一：降低鎳含量
黃學(xué)杰認(rèn)為，降鎳的方向，關(guān)鍵的材料是鎳錳酸鋰，第一代材料是錳酸鋰，一樣的結(jié)構(gòu)尖晶石結(jié)構(gòu)，將其中1/4的錳換成鎳后，負(fù)極搭配石墨，電壓可以在4.5V以上，“磷酸鐵鋰電池的標(biāo)準(zhǔn)電壓是3.2V，三元電池的標(biāo)準(zhǔn)電壓是3.6V，能大到4.5V，能量密度就有優(yōu)勢?！?
雖然鎳錳酸鋰會有機(jī)會得到更高的里程、更高的性價比，以及更高的安全性，但電壓提高后的壽命很難得到保證。
黃學(xué)杰團(tuán)隊通過特殊的界面層結(jié)構(gòu)設(shè)計，以及電解液的功能性調(diào)整，大幅提升了鎳錳酸鋰電池的穩(wěn)定性。同時，鎳錳酸鋰電池在做工、費用、配套負(fù)極、電解液、隔膜以及外殼等都沒變化。
從產(chǎn)品性能上來看，黃學(xué)杰團(tuán)隊開發(fā)的鎳錳酸鋰相比磷酸鐵鋰能量密度提升約40%，價格降低超過20%，與三元電池相比，價格降低約40%，同時安全性更高。
中航鋰電也認(rèn)為尖晶石鎳錳酸鋰是下一代正極的候選材料。
中航鋰電乘用車事業(yè)總經(jīng)理謝秋表示，他們做了一個計算，現(xiàn)在正常的NCM 5系、6系的材料，鋰只用到了70%，其他30%的鋰是不參與充放電的，這是一種資源的巨大浪費?！凹饩囧i酸鋰參與反應(yīng)的鋰可以達(dá)到95%，與鐵鋰的鋰?yán)寐什畈欢?，但是鎳錳酸鋰這種尖晶石結(jié)構(gòu)的能量密度又會高很多?！敝x秋說。
謝秋認(rèn)為，如果現(xiàn)在鋰的利用率從70%提升到95%，意味著我們對于鋰的需求就能下降大約30%。低鎳高錳從成本和資源的角度，尖晶石鎳錳酸鋰正是下一代電池材料的候選方案。
2）路線二：提升鎳含量
黃學(xué)杰提到的第二條降鈷路線是升鎳。為了提高容量，把鎳的容量增加，正極材料的能量可以從160mAh/g提高到180mAh/g，進(jìn)而繼續(xù)提升到200mAh/g。
高鎳電池的一大弱點就是壽命和穩(wěn)定性相對較差，為了攻克這一短板，在國家重點研發(fā)專項的支持下，業(yè)內(nèi)進(jìn)行梯度材料研發(fā)。例如把鈷完全去掉，做鎳酸鋰電池，路徑是內(nèi)部摻雜和外部梯度。
黃學(xué)杰表示，如果走向鎳酸鋰，三元的能量密度大概也能提升40%，結(jié)合一下負(fù)極合金化材料，可以從目前不到700Wh/L提升到1000Wh/L，“無論是鐵鋰還是三元，今天我們已經(jīng)看到了40%的能量密度提升，以及成本改進(jìn)的可能性，這些都會在鎳錳酸鋰?yán)锩骘@出來?！秉S學(xué)杰表示。
在高鎳領(lǐng)域，容百科技是走在前列的企業(yè)，寧波容百新能源科技股份有限公司總裁助理佘圣賢就很看到高鎳材料的發(fā)展前景。
佘圣賢給出了一組數(shù)據(jù)，今年1—8月份，全球總體來說電池快速增長這里面有兩塊相對細(xì)分市場值得關(guān)注，磷酸鐵鋰增加了160%，三元材料領(lǐng)域的811增速更快，達(dá)到250%以上。
佘圣賢認(rèn)為，今后電動汽車不光是移動工具，也是一個辦公娛樂的載體，要求實現(xiàn)無人駕駛。這些對于耗電量的要求很高，要求在現(xiàn)在的基礎(chǔ)上增加至少30%為了無人駕駛這些功能，接下來超過115度電成為一個標(biāo)準(zhǔn)的電池需求，這時候如果用鐵鋰的話可能要比用高鎳三元整車要重400公斤，會帶來很大的問題。
在佘圣賢看來，高鎳材料成本未來幾年會快速降低，大概的節(jié)點是在2025年高鎳三元PACK瓦時成本接近于鐵鋰，2030年基本達(dá)到一致。
佘圣賢表示，實現(xiàn)這個快速降本是從不同層面做到的，首先從具體的材料層面像鎳這些海外原料基地的開發(fā)會降低金屬的成本。另外，隨著高鎳電池的大規(guī)模生產(chǎn)規(guī)模成本會降低，CTP、C2C電池模組技術(shù)也會用到高鎳三元方面。未來固態(tài)電池其實正極材料用的大部分是高鎳錳酸鋰811和NCA路線。
容百方面，第一代Ni83體系的電芯技術(shù)已經(jīng)成熟并大規(guī)模應(yīng)用；第二代Ni90體系正在開發(fā)，已經(jīng)進(jìn)入小批量階段；第三代Ni96體系正在和客戶開發(fā)，預(yù)計2022年實現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)。
中航鋰電也在開發(fā)9系材料超高鎳材料，以及預(yù)補(bǔ)鋰、納米硅等關(guān)鍵技術(shù)。據(jù)謝秋介紹，中航鋰電現(xiàn)在做出來的成品，按照淺刺的標(biāo)準(zhǔn)，一毫米的鋼針刺兩毫米深度，可以通過試驗，電池包表現(xiàn)為電壓降低。
當(dāng)然采用高鎳正極材料，由于電池能量密度進(jìn)一步提升，有助于車輛的輕量化，間接也可以達(dá)到降低碳排放的效果。
02
負(fù)極、輔材和結(jié)構(gòu)創(chuàng)新
在實現(xiàn)固態(tài)電池量產(chǎn)前，業(yè)內(nèi)專家和企業(yè)都在不斷挖掘液態(tài)電池的潛力。
因此，除了正極以外，負(fù)極也需要不斷改進(jìn)和提升。
謝秋認(rèn)為，一是負(fù)極材料要降低資源的消耗，考慮應(yīng)用天然石墨，國內(nèi)動力電池天然石墨用得比較少，也沒有太用好，石墨化的過程也是高能耗的過程，下一步天然石墨也是大家要研究的重點方向。二是提升性能，如何不斷提升能量密度，提升快充速度，包含這些天然石墨的包覆改性，硅材料的應(yīng)用，是負(fù)極下一步要做的研究工作。
謝秋還提到了結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，中航鋰電通過結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，達(dá)到簡化電池包結(jié)構(gòu)的目標(biāo)。降低結(jié)構(gòu)件的重量，就可以把重量、空間盡量讓給活性物質(zhì)。謝秋介紹說，他們第一代產(chǎn)品每升結(jié)構(gòu)件的重量是400g，明年要推出的產(chǎn)品降到120g/L。
除此之外，電池中的DCR（直流內(nèi)阻）也在不斷降低，結(jié)構(gòu)件本身的DCR，從0.2降到0.15毫歐，裝配工序都在做極簡化的設(shè)計。
中航鋰電的結(jié)構(gòu)簡化，也體現(xiàn)在電芯上。謝秋表示，其發(fā)布的One-Stop的電池是繼軟包、圓柱和方形之后，第四種封裝形式，在整個工藝裝備上做了很多的創(chuàng)新。
謝秋介紹說，One-Stop可以在體系不變的前提下，能量密度大概能提升10%，包含零部件可以減少20%。在相同的空間內(nèi)，可以由三元變成鐵鋰，因為體積能量密度更高，鐵鋰支持700公里，電池包的能量密度能做到160Wh/kg；做三元的話，里程能支撐1000公里，電池包的能量密度達(dá)到240GWh/kg。
謝秋表示，他們產(chǎn)品在今年四季度可以看到公告，電池包的能量密度可以達(dá)到220Wh/kg，明年開始大規(guī)模的量產(chǎn)。
03
固態(tài)電池路徑探索
固態(tài)電池最大的問題是界面導(dǎo)電差。
中國科學(xué)院物理研究所研究員李泓解釋說，固態(tài)電池的難點是，在膨脹的過程中，固態(tài)電解質(zhì)怎么能與正負(fù)極顆粒保持很好的接觸，最好是原子級別的。
對此，李泓有兩個方案，一種是把固態(tài)電解質(zhì)生長在正負(fù)極顆粒表面，另一種則是在電芯化成或者在電極制造的過程中，將液態(tài)電解質(zhì)或者是漿料轉(zhuǎn)化為固態(tài)從而實現(xiàn)。
李泓介紹說，他們團(tuán)隊現(xiàn)在采取的措施，負(fù)極采用硅負(fù)極或鋰碳復(fù)合負(fù)極，加上固態(tài)電解質(zhì)，加上SEI膜，正極是固態(tài)電解質(zhì)包覆的正極，加上固態(tài)電解質(zhì)粉體，再加上原位聚合的固態(tài)電解質(zhì)解決方案。中間膜是PE、PP的基膜，兩邊涂上固態(tài)電解質(zhì)。
李泓解釋說，他們選擇了LATP（Li1.5Al0.5Ti1.5(PO)4），主要是LATP在負(fù)極側(cè)的活性，能夠誘發(fā)SEI膜在負(fù)極側(cè)生長，從而使得從負(fù)極到正極形成連續(xù)的離子通道，這是非常關(guān)鍵的一點。
另外LATP可以跟金屬鋰反應(yīng)，可以防止鋰枝晶的析出。綜合下來，這個方案可以實現(xiàn)大容量電芯的生產(chǎn)，同時提高安全性，同時提高能量密度。
正極方面，目前有企業(yè)在向著Ni95、Ni98的方向發(fā)展，克容量甚至瞄著230mAh/g。
負(fù)極方面，李泓認(rèn)為硅負(fù)極比較有前景。李泓表示，目前有不同種類的硅負(fù)極在不斷發(fā)展，包括納米硅碳，現(xiàn)在也在推出量產(chǎn)的產(chǎn)品。
在李泓看來，納米硅碳現(xiàn)在要做動力電池還有非常大的挑戰(zhàn)，膨脹的控制以及循環(huán)性，后期隨著納米硅技術(shù)新一代的解決方案，納米硅碳有可能再次會替代氧化亞硅。因為目前碳包覆氧化亞硅的循環(huán)性、克容量基本上都能滿足要求，但是為了產(chǎn)業(yè)化，需要發(fā)展材料層面的預(yù)鋰化、預(yù)鎂化，或者是電極層級預(yù)鋰化，這為工程化帶來巨大挑戰(zhàn)。
此外，微米硅也值得關(guān)注。微米硅應(yīng)用在全固態(tài)電池中，如果沒有界面反應(yīng)的話，也有可能成為固態(tài)電池重要的負(fù)極材料。
在李泓看來，輔助材料的改進(jìn)也必不可少，他們做硅負(fù)極時逐漸開始使用單壁碳管，以減少碳黑的用量，從而保證循環(huán)過程當(dāng)中的電子接觸；隔膜開始使用固態(tài)電解質(zhì)涂層隔膜嘗試著替代。另外,集流體也有可能轉(zhuǎn)化為MPCC（Metalized Plastic Current Collectord，在聚合物膜兩側(cè)沉積Cu, Al膜）這一類的，提高集流體的強(qiáng)度，同時減少集流體的重量。
李泓透露，中國這幾家固態(tài)電池企業(yè)，都可能在明年底量產(chǎn)，大約都會提出GWh級的量產(chǎn)目標(biāo)。
04
電池回收：縮短回收流程
針對回收，謝秋認(rèn)為電池最好在車上的服役期間就把價值發(fā)揮完，退役后就進(jìn)入回收階段。
謝秋認(rèn)為，目前回收技術(shù)算是第三代技術(shù)，一代很野蠻暴力的燒；第二代是破碎，把電池丟進(jìn)去；第三代，中航鋰電希望做精細(xì)化、自動化拆解，將銅箔、鋁箔、正極、負(fù)極材料完整地分離出來，這樣效率上會高很多，然后進(jìn)行短流程的原位再生。
業(yè)內(nèi)普遍的做法是將電池破碎完之后變成鹽，硫酸鈷、硫酸鎳，再回收成材料。中航鋰電希望縮短流程，材料層級直接做相關(guān)的再生，降低整體的碳排，降低成本。
目前看，降低鈷用量方面，降低鎳含量的尖晶石鎳錳酸鋰已經(jīng)成為共識；高鎳的三元電池也在逐步升溫，通過負(fù)極、結(jié)構(gòu)等各方面改進(jìn)，液態(tài)電池仍然有一定的發(fā)展空間。明年一批鎳含量更高，結(jié)構(gòu)創(chuàng)新的鋰離子電池將會推向市場。
固態(tài)電池領(lǐng)域，固液混合態(tài)電池也會在明年逐步亮相，一批半固態(tài)電池的產(chǎn)能也會開始投建。整體動力電池技術(shù)會呈現(xiàn)出小步快跑的狀態(tài)繼續(xù)前進(jìn)。
轉(zhuǎn)自：電動汽車觀察家（王凌方）
