中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：上周有個(gè)新聞"科學(xué)家開發(fā)薄片式電池 讓汽車充電一次開1000公里"，報(bào)道了采用雙極性電極的電池將可以實(shí)現(xiàn)1000公里的續(xù)駛里程，1000這個(gè)數(shù)字的確太吸引眼球了。我們來(lái)看一下這個(gè)新聞背后的EMBATT項(xiàng)目，看一下實(shí)現(xiàn)1000公里的技術(shù)概念是什么樣子的。
如今，電池儼然成為了決定電動(dòng)車未來(lái)的核心部件，這也不難理解那么多的電池制造商在電池技術(shù)上絞盡腦汁、期望有所重大突破，并且制定各種野心勃勃發(fā)展目標(biāo)，例如：將電池系統(tǒng)的能量密度從250Wh/L左右提升到500Wh/L、同時(shí)大幅度降低生產(chǎn)成本。一方面，電池材料需要進(jìn)一步優(yōu)化，提高電池能量密度，另一方面，電池空間體利用需要提高、減小有限空間內(nèi)的非活性材料?，F(xiàn)有的電池封裝package方式造成了大量的體積被非電池活性材料占據(jù)，無(wú)法充分利用有限的電池空間。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)， IAV公司與 Thyssenkrupp AG和Fraunhofer Institute for Ceramic Technologies and Systems(IKTS)一起合作開發(fā)汽車底盤電池集成項(xiàng)目( EMBATT：chassis-embedded energy)，直接將電池嵌入到汽車底盤，大幅度減少電池本身的結(jié)構(gòu)件所占據(jù)的體積，達(dá)到提高能量密度Wh/L的目標(biāo)。EMBATT概念的中心思想是采用雙極性bipolar鋰離子電池。在這個(gè)合作開發(fā)項(xiàng)目中，IAV主要負(fù)責(zé)車輛開發(fā)，包括車輛概念、測(cè)量安全、電池布局和設(shè)計(jì)、控制軟件標(biāo)定。IKTS主要負(fù)責(zé)定制化電池材料和電極的制造加工技術(shù)。Thyssenkrupp AG主要負(fù)責(zé)后期的電池生產(chǎn)。
基于EMBATT概念的雙極性電池主要實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo)：
· 大幅度降低系統(tǒng)復(fù)雜性，電池系統(tǒng)能量密度提高到500Wh/L
· 降低內(nèi)阻，減少冷卻的需求
· 使用更少的零部件，制造成本可以降低
· 符合車輛安全要求
· 采用先進(jìn)電池材料，進(jìn)一步提高能量密度
現(xiàn)在的鋰離子電池將電極進(jìn)行卷繞或疊片后放入殼體內(nèi)(圓柱形、方形、或軟包)，然后再跟其他結(jié)構(gòu)件、電子器件、管理單元集成到電池系統(tǒng)那個(gè)內(nèi)。從單體電池到電池系統(tǒng)，由于大量非活性物質(zhì)(結(jié)構(gòu)件，電子元器件、線束等)的存在，能量密度損失高達(dá)40-60%左右(甚至更高)，目前電池系統(tǒng)能量密度大致在120-300Wh/L(這里不是Wh/kg)。
EMBATT項(xiàng)目的電池開發(fā)目標(biāo)旨在打破傳統(tǒng)的電芯和模塊的界限，將雙極性電極制備的電池集成到底盤，并根據(jù)封裝的尺寸不同，可以實(shí)現(xiàn)850-1200V的大型電池電壓配置(大約2平方米左右的電池)，從而使得1000公里的續(xù)駛里程成為可能。這個(gè)開發(fā)項(xiàng)目的挑戰(zhàn)之一是如何生產(chǎn)雙極性電極，因?yàn)檫@要求在電極的兩側(cè)涂敷上正極和負(fù)極兩種不同的材料，最小電池單元的厚度大約在300微米，這是一個(gè)比較復(fù)雜的制備過(guò)程。電池的機(jī)械穩(wěn)定性通過(guò)內(nèi)外部的支撐結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。除了這些電池結(jié)構(gòu)的特殊設(shè)計(jì)之外，另一個(gè)重點(diǎn)是要采用高效率的電池材料。EMBATT項(xiàng)目在負(fù)極材料上目前選擇了鈦酸鋰LTO，正極選擇了鎳錳酸鋰LNMO，單體電池的電壓在3.2V左右(選擇其他材料也可以，但是電壓會(huì)低一點(diǎn))，下一步重要的材料是選擇合適的電解液，從傳統(tǒng)的液態(tài)電解液到固態(tài)電解質(zhì)都在考查范圍內(nèi)，長(zhǎng)遠(yuǎn)看，全固態(tài)電解質(zhì)會(huì)成為最終選擇，隔膜可選方案之一是陶瓷隔膜，這有助于將固態(tài)電解質(zhì)的方案和隔膜集成在一起。EMBATT項(xiàng)目中的雙極性電極是在集流體的兩側(cè)分別涂敷LTO作負(fù)極、LNMO作正極(其他正極材料也可以)。先用激光切割對(duì)雙極性電極進(jìn)行第一次預(yù)沖切，然后在進(jìn)行二次沖切得到最終電極尺寸。然后采用疊片方式將雙極性電極片堆疊起來(lái)，形成電池單元之間的串聯(lián)。根據(jù)項(xiàng)目的研究進(jìn)度，基于EMBATT概念的1000公里電動(dòng)車預(yù)計(jì)在2025年發(fā)布。
根據(jù)IKTS的介紹，EMBATT項(xiàng)目的概念來(lái)源于固體氧化物燃料電池SOFC的電堆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在項(xiàng)目中，IKTS主要承擔(dān)：電池單元的設(shè)計(jì)概念研究；開發(fā)/優(yōu)化電池活性材料、以及陶瓷隔膜和電解液；電池單元的制造工藝開發(fā)。
目前，IKTS和合作機(jī)構(gòu)已經(jīng)完成了EMBATT1.0和EMBATT2.0的開發(fā)項(xiàng)目。1.0和2.0相比，最主要的變化在于正極材料從1.0項(xiàng)目中的NCM或LFP升級(jí)到LNMO，采用了進(jìn)行金屬元素?fù)诫s的尖晶石錳酸鋰，提高了上限電壓。隔膜、液態(tài)電解質(zhì)升級(jí)到了全固態(tài)電解質(zhì)，這將更加有利于電池單元的生產(chǎn)。1.0和2.0的能量密度分別為200Wh/L和450Wh/L，這和當(dāng)前動(dòng)力電池單體的能量密度相比并沒有優(yōu)勢(shì)，可能將來(lái)在電池系統(tǒng)上具備一定優(yōu)勢(shì)，但是目前由于還沒有實(shí)現(xiàn)將雙極性電極制備的電池嵌入到底盤上，所以電池系統(tǒng)級(jí)別的能量密度優(yōu)勢(shì)究竟有多大還不清楚。因此在EMBATT 3.0上，負(fù)極作了很大變更，采用了金屬鋰作負(fù)極，并且采用了玻璃陶瓷全固態(tài)電解質(zhì)，集流體也不再局限于鋁(目前還不清楚具體集流體的材質(zhì))，通過(guò)這些優(yōu)化來(lái)實(shí)現(xiàn)800Wh/L的能量密度目標(biāo)。
在制造工藝方面，1.0和2.0的制造工藝與現(xiàn)行的鋰離子電池制造工藝沒有明顯區(qū)別，在3.0上，由于采用全固態(tài)玻璃陶瓷電解液，因此電極和電解質(zhì)的裝配可以在同一步驟完成，省卻了后面的注液環(huán)節(jié)，但是后續(xù)增加了熱處理環(huán)節(jié)，主要是為了讓電極和固態(tài)電解質(zhì)界面更好的接觸。這3.0項(xiàng)目上，全固態(tài)電解質(zhì)的開發(fā)、電解質(zhì)與電極界面兼容性問(wèn)題是重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容，這與一般的固態(tài)電池的研究課題是一致的。
總的來(lái)說(shuō)，EMBATT的最大特點(diǎn)并非它的材料創(chuàng)新，因?yàn)檫@些材料的研究和創(chuàng)新一直都是鋰離子電池領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，EMBATT有意思的地方是將雙極性電極制備的電池直接集成到汽車底盤的概念，以及由此概念引申出來(lái)的在制造加工方面的工藝改進(jìn)。有趣的是，在今年的上海車展上，汽車零部件供應(yīng)商-本特勒提出了自主設(shè)計(jì)研發(fā)的新能源汽車底盤系統(tǒng)，該底盤系統(tǒng)的目標(biāo)之一也是要實(shí)現(xiàn)底盤集成或模塊化整合，電池也是被考慮集成到底盤的零部件之一。另外，在今年的第九屆全球汽車產(chǎn)業(yè)峰會(huì)上，類似的電動(dòng)化底盤平臺(tái)同樣被多次強(qiáng)調(diào)。由此可見，這種平臺(tái)化底盤會(huì)成為電動(dòng)汽車發(fā)展的趨勢(shì)。
聯(lián)想到我們國(guó)家2016年發(fā)布的電動(dòng)車技術(shù)路線中，純電動(dòng)汽車電池系統(tǒng)的能量密度目標(biāo)是500Wh/L(2025年)、700Wh/L(2030年)，或許，采用底盤嵌入式電池技術(shù)很可能是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的途徑之一。
聊一下EMBATT里面的提到的雙極性電極bipolar electrode。雙極性電極的概念由來(lái)已久，在鋰離子電池上的應(yīng)用也很久了，單是一直沒有被大規(guī)模應(yīng)用。
下圖對(duì)比了傳統(tǒng)鋰離子電池(a圖)和雙極性鋰電池(b圖，這里是以金屬鋰和全固態(tài)為例)。a圖中，每個(gè)電池單元unit cell包括了正極(一般涂覆在Al基材)、負(fù)極(一般涂覆在Cu基材)；b圖中，每個(gè)電池單元unit cell同樣包括了正極、負(fù)極，但是正極、負(fù)極活性材料共用一個(gè)基材：當(dāng)兩個(gè)電池單元串聯(lián)起來(lái)時(shí)，雙極性電極的一側(cè)在當(dāng)前單元電池作為負(fù)極，另一側(cè)在相鄰單元電池中是作為正極。
雙極性電極的研究早在二、三十年以前就已經(jīng)出現(xiàn)。例如在20實(shí)際九十年代，美國(guó)雅迪尼(Yardney)技術(shù)公司就對(duì)雙極鋰離子電池展開了研究。雙極性電池設(shè)計(jì)可以將單元電池cell-stack中相鄰cell之間的電阻最小化，使得每個(gè)雙極性cell種的正負(fù)極活性涂層表面上的電流和電勢(shì)達(dá)到更加均勻的分布，因此，采用雙極性cell構(gòu)成的電池具有更高的功率特性。下圖Fig1是一個(gè)典型的由多個(gè)雙極性電池單元構(gòu)成的雙極性鋰離子電池截面圖，F(xiàn)ig2是提取出來(lái)的其中一個(gè)雙極性電池單元。其中，12a、12b，…，12n是電池單元；14a、14b，…，14n是電池單元的正極側(cè)；16a、16b，…，16n是電池單元的負(fù)極側(cè)；18a、18b，…，18n隔膜；20b、20c，…，20n是集流體(例如，F(xiàn)ig2中的14a和16b共用一個(gè)集流體)，集流體可采用雙金屬基材，例如，Cu-Al雙金屬，負(fù)極活性物質(zhì)涂敷在Cu側(cè)，正極活性物質(zhì)涂敷在Al側(cè)；24是負(fù)極活性物質(zhì)，26是正極活性物質(zhì)；28a、28b，…，28n是絕緣性連接固定結(jié)構(gòu)，每個(gè)雙極性電極通過(guò)該連接結(jié)構(gòu)固定起來(lái)。在Fig1和Fig2中，一共有n-1個(gè)雙極性電極(集流體兩側(cè)分別有正極、負(fù)極活性物質(zhì))，最上層20a只有負(fù)極一側(cè)，另一側(cè)跟負(fù)極極柱29相連，最下層20n+1只有正極一側(cè)，另一側(cè)跟正極極柱29相連。
下圖Fig3是雙極性電極的堆疊stack，可以稱之為電堆40。其中，32是隔膜；34是集流體；36是雙極性電極，兩側(cè)分別是正負(fù)極活性物質(zhì)?；窘Y(jié)構(gòu)與上面的示例是一樣的。
下圖是含有三個(gè)雙極性電極的CR2032鈕扣電池。正極是LFP，負(fù)極是金屬鋰，采用準(zhǔn)固態(tài)聚合物電解質(zhì)和不銹鋼集流體。從電壓曲線可以看到，只要改變雙極性電極的unit數(shù)量，就能改變電池的電壓，這里給的分別是1unit、2units、3units的電壓曲線。例如，很容易通過(guò)5個(gè)雙極性的unit實(shí)現(xiàn)一個(gè)12V的鋰離子電池，下圖右側(cè)是日本東芝公司的一個(gè)12V雙極性電池的部分截面圖，從表1的參數(shù)中可以看到，這里正極材料是LiMn0.85Fe0.1Mg0.05PO4，負(fù)極材料是LTO，集流體是Al，固態(tài)電解質(zhì)電解質(zhì)是Li7La3Zr2O12(LLZ)和PAN。從封裝方式來(lái)看，疊片式軟包裝是比較適合雙極性電池的一種方式。
從上面的結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)來(lái)看，采用雙極性電極結(jié)構(gòu)，很容易就可以實(shí)現(xiàn)電池的高壓，這比通過(guò)將多個(gè)電池串聯(lián)起來(lái)實(shí)現(xiàn)高電壓的方法要更加高效：減少了電池的無(wú)效配裝空間、降低了連接電阻。相比較如今在開發(fā)高電壓正極材料上的緩慢進(jìn)展，雙極性電極不失為一種可能的更加快捷的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)電池高電壓輸出。當(dāng)然，正如在前面(一)所說(shuō)的那樣，真正的實(shí)際應(yīng)用還需要解決很多生產(chǎn)制造上的問(wèn)題。
