中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊：10月13日-14日在杭州召開了“第二屆混合動(dòng)力車市場(chǎng)與先進(jìn)電池技術(shù)發(fā)展研討會(huì)”，會(huì)議受到了國內(nèi)外電池、材料、設(shè)備和汽車領(lǐng)域眾多企業(yè)的廣泛關(guān)注， 400多位國內(nèi)外嘉賓參會(huì)。自2014年4月中國化學(xué)與物理電源協(xié)會(huì)在北京組織了“第一屆混合動(dòng)力車市場(chǎng)與先進(jìn)電池技術(shù)發(fā)展研討會(huì)”以來，在國內(nèi)外純電動(dòng)車和插電式混合動(dòng)力車取得較快發(fā)展的同時(shí)，混合動(dòng)力車輛，特別是微混車輛也在國際上得到預(yù)期的快速發(fā)展。特別是近來進(jìn)一步提出了發(fā)展48V電池體系與技術(shù)的要求,使電池行業(yè)又出現(xiàn)了一個(gè)新的發(fā)展熱點(diǎn)。
“第二屆混合動(dòng)力車市場(chǎng)與先進(jìn)電池技術(shù)研討會(huì)”的舉辦，給大家提供了一個(gè)交流的平臺(tái)，幫助大家了解國內(nèi)外在混合動(dòng)力汽車產(chǎn)業(yè)方面的發(fā)展動(dòng)向、最新進(jìn)展，交流適用于混合動(dòng)力汽車發(fā)展的各種電池技術(shù)及其最新進(jìn)展。希望通過技術(shù)交流，能對(duì)我國混合動(dòng)力汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起動(dòng)一定的借鑒和推動(dòng)作用，加快我國混合動(dòng)力汽車用各類電池技術(shù)的快速發(fā)展。
在本次會(huì)議上，東莞市邁科新能源有限公司技術(shù)總監(jiān)宋曉娜博士做了“邁科低溫動(dòng)力鋰離子電池研究進(jìn)展”的專題報(bào)告，以下是根據(jù)速記整理的文字，未經(jīng)本人審核，僅供參考。
我主要是想介紹一下邁科在動(dòng)力低溫鋰離子電池方面做的一些工作。我的演講主要是分四個(gè)方面的內(nèi)容，一是低溫電芯挑戰(zhàn)，二是低溫電芯的解決思路，三是低溫典型結(jié)果展示，四是邁科鋰電介紹。
邁科為什么要開發(fā)低溫鋰離子電池？中國大部分區(qū)域冬天的時(shí)候溫度非常低，都在零下20攝氏度，零下30度也是有的，所以在低溫下新能源汽車的充電也是非常困難，因?yàn)樗男旭偫锍桃矔?huì)有明顯的降低。鋰離子電池在低溫下在充放電有什么樣的瓶頸？第一個(gè)圖就是鋰離子電池工作原理，在座的各位應(yīng)該對(duì)這個(gè)很熟悉，鋰離子從正極里面脫嵌出來通過電解液、隔膜到負(fù)極的結(jié)構(gòu)，同時(shí)電子進(jìn)入到負(fù)極，那么在低溫下這個(gè)過程發(fā)生了什么變化？因?yàn)樵诘蜏叵掠幸粋€(gè)很明顯的反應(yīng)，溫度降低低阻抗增加，主要的原因可以從以下幾個(gè)方面來分析，一個(gè)是低溫對(duì)材料導(dǎo)電率的影響，二是低溫下電解液黏度增加，導(dǎo)電率下降，同時(shí)離子遷移率也會(huì)降低。從全電池的EIS阻抗圖譜可以看到，隨著溫度的變化，阻抗值的變化情況，溫度從25℃降到0℃的時(shí)候，阻抗增加非常明顯。
鋰離子工作過程說一下，從充電來講，鋰離子在充電的過程當(dāng)中首先從正極脫嵌出來，經(jīng)過電解液、隔膜，然后進(jìn)入到負(fù)極表面，然后通過SEI膜（音譯）進(jìn)入到負(fù)極材料，最后進(jìn)入的過程就是固定擴(kuò)散的過程。我們把鋰離子電池阻抗用一個(gè)等效的電路圖模擬出來，把阻抗分成三個(gè)部分，剛才有人問到這三個(gè)部分分別代表了什么東西，就從這個(gè)阻抗圖來解釋，Rs代表的是與鋰離子和電子經(jīng)過電解液、隔膜、負(fù)極材料以及導(dǎo)線過程有關(guān)的一個(gè)阻抗。另外一個(gè)部分是高頻區(qū)域，這個(gè)地方是Rf，是鋰離子進(jìn)入到活性材料表面，要經(jīng)過一個(gè)絕緣層，也會(huì)產(chǎn)生一定的電阻，其實(shí)主要的還是活性材料表面SEI膜產(chǎn)生的阻抗。第二個(gè)半圓也就是中頻就是電子產(chǎn)生的阻抗，另外一部分是斜線部分，離子在活性材料里面的固體的擴(kuò)散過程。當(dāng)然這只是一個(gè)等效的模擬來解釋的，它也是有很大的局限性的，因?yàn)槭窃谝环N理想的情況下模擬出這樣一個(gè)電路來，而且數(shù)據(jù)擬合的時(shí)候也有很多的局限性，我們做分析的時(shí)候也還是從整體的阻抗變化來分析這些影響因素的。
做成了這樣一個(gè)等效電路圖，并擬合出了這三個(gè)部分的電阻數(shù)值，隨著溫度的變化，這三個(gè)部分都有明顯的增加，其實(shí)Rct增加最為明顯。同時(shí)為了分別研究正極和負(fù)極這三個(gè)部分隨著溫度的變化，我們也對(duì)正極和負(fù)極兩種阻抗的變化做了這樣的數(shù)據(jù)擬合，可以看出不管是正極，還是負(fù)極，隨著溫度的變化，三個(gè)部分都有增加，Rct是最為明顯的，負(fù)極材料的增加比正極更為顯著一些。
我們把電池的充放電過程中鋰離子傳輸所遇到的這些電阻模擬出來，計(jì)算每一部分對(duì)電阻的貢獻(xiàn)比例，其中負(fù)極所占的影響比例最大，其次就是正極，然后就是電解液，我們準(zhǔn)備從這三個(gè)方面來改善低溫性能，低溫過程最明顯的一些因素變化就是阻抗的增加。正極這塊，我們的思路跟大家相似，減少顆粒的粒徑，對(duì)材料進(jìn)行表面包覆和摻雜。負(fù)極這塊也采用了和正極一樣的思路，采用優(yōu)化顆粒尺寸的手段。我們也做了實(shí)際的阻抗測(cè)試，采用這種改善后的材料，它的阻抗是有明顯降低，當(dāng)然這也是整體的阻抗數(shù)據(jù)來顯示的。電解液這塊，因?yàn)槲覀児倦娊庖哼@塊是自己出配方，我們主要是降低它在低溫下的黏度，同時(shí)提高低溫下的電導(dǎo)率，我們做了測(cè)試，低溫下的電解液隨著溫度的降低黏度不會(huì)有非常大的升高，電導(dǎo)率也不會(huì)下降。我們?cè)趯?dǎo)電劑引入了復(fù)合導(dǎo)電劑，希望在活性材料表面形成點(diǎn)、線、面多維的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，這個(gè)材料體系也已經(jīng)導(dǎo)入了低溫的產(chǎn)品中。還有就是粘結(jié)劑，我們常規(guī)的粘結(jié)劑都是立狀的形態(tài)，這種阻抗的不均也會(huì)產(chǎn)生阻抗的增加，所以我們導(dǎo)入新型的粘結(jié)劑，以面狀的形式呈現(xiàn)，所以阻抗的均勻性會(huì)有很大的改善，一定程度上也降低了整體的阻抗值，我們測(cè)試了采用不同粘結(jié)劑的電池阻抗，它的阻抗值降低了50%。
下面通過這些改善，展示一下我們邁科在低溫電池這方面的典型成果。我們是做圓柱形鋰離子電池，同時(shí)開發(fā)了磷酸鐵鋰體系和三元體系兩種低溫鋰離子電池，這兩種體系都可以滿足在零下40度1C放電大于70%，零下20度可以0.2C充電不析鋰，同時(shí)這種體系的倍率性特別好，3C充放可以做到1500次，大于80%的容量保持。具體的數(shù)據(jù)再介紹一下，這是我們低溫磷酸鐵鋰電芯體系性能，右邊的曲線第一是零下20度1C放電體系，紅色是常規(guī)體系，藍(lán)色是低溫體系，放電容量有非常大的提升，低溫體系可以放到90%以上，常規(guī)體系只能是70%。放電能量低溫體系是80%。在零下40度1C放電，紅色常規(guī)體系沒有什么容量，但是我們低溫體系可以放出90%，能量可以放出70%，常規(guī)體系下基本上沒有什么能量可以放出來。我們也對(duì)低溫電芯做了低溫下10個(gè)循環(huán)，然后進(jìn)行拆解，看它的極片有沒有析鋰，結(jié)果顯示10個(gè)循環(huán)以后負(fù)極極片仍然是比較均一的金黃色，完全沒有吸鋰。這是我們低溫磷酸鐵鋰體系電芯的循環(huán)壽命，我們體系剛剛推出，測(cè)試沒有很完整，這是我們真實(shí)的數(shù)據(jù)，常溫1C充電循環(huán)，目前是1200次左右，92%以上的容量保持。3C充放循環(huán)1400次，80%以上的容量保持。45度的1C充放循環(huán)，1100次左右，90%的容量保持。零下20度做了0.2C充0.5C放的循環(huán)，100多次，前面十幾個(gè)循環(huán)降低得比較快，后面降低得比較小。再介紹下低溫三元電芯，左邊的數(shù)據(jù)也是常規(guī)的性能數(shù)據(jù)，右邊是零下20度1C放電曲線，藍(lán)色是低溫體系，紅色是常規(guī)體系，容量上差異不大，但是平臺(tái)高出了很多。這是零下40度1C放電，常規(guī)的紅色體系沒有容量放出來，藍(lán)色低溫體系可以放到70%的容量，能量可以放出大于60%。同樣我們也做了低溫下10個(gè)循環(huán)進(jìn)行拆解，同樣負(fù)極極片呈現(xiàn)出均一的金黃色，完全沒有析鋰）。這是我們?nèi)w系的循環(huán)數(shù)據(jù)，第一個(gè)就是常溫下0.5C充1C放，現(xiàn)在做到1000次，有92%的容量保持。也做了1C充3C放的循環(huán)，現(xiàn)在做到1000次，90%以上，滿足1500次是完全沒有問題的。另外也做了45度1C充放循環(huán)，現(xiàn)在可以做到接近1000次，85%以上的容量保持。零下20度的循環(huán)，后面趨勢(shì)逐步趨平，前面比較快。
低溫電芯開發(fā)出后在北方市場(chǎng)的應(yīng)用熱管理策略比較容易實(shí)現(xiàn)，如果在北京以南Pack就不用考慮加熱系統(tǒng)。我們還考慮了均熱和散熱，希望每一個(gè)電芯都在同樣的溫度下工作，這樣就不會(huì)出現(xiàn)電芯性能上非常大的差異。
下面利用幾分鐘的時(shí)間介紹一下公司，我們邁科新能源成立于2003年，主要是從事鋰離子電池的研發(fā)和生產(chǎn)，2009年就啟動(dòng)了新能源動(dòng)力鋰離子電池的項(xiàng)目，同年成立了邁科研究院，2012年成立了新能源科研團(tuán)隊(duì)，廣東省第四批創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)是做先進(jìn)動(dòng)力鋰離子電池研發(fā)，其中團(tuán)隊(duì)成員是美國一些著名專家，第五批新團(tuán)隊(duì)是鈉離子電池。我司的主營業(yè)務(wù)是鋰離子電池，一是消費(fèi)類的聚合物鋰離子電池，二是動(dòng)力和儲(chǔ)能用的圓柱形鋰離子電池，今年年底會(huì)推出方形鋁殼鋰離子電池，應(yīng)用在動(dòng)力和儲(chǔ)能市場(chǎng)上。這是我們邁科的一些研發(fā)平臺(tái)，有院士和博士工作站，同時(shí)又幾個(gè)實(shí)驗(yàn)室。這是我們邁科自己的研發(fā)中心，2015年初光設(shè)備這塊投入了兩千萬建立了自己的研發(fā)中心，另外我們?cè)谒缮胶徺I了一個(gè)研發(fā)基地，設(shè)備這塊準(zhǔn)備投入五千萬。剛才有提到我們廣東省的第四批創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)，主要是先進(jìn)的動(dòng)力鋰離子電池，2014年導(dǎo)入，同時(shí)也研究了下一代的Li-S,Li空氣電池技術(shù)。廣東省第五批創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)主要是研究鈉離子電池，鈉離子資源非常豐富，價(jià)格比較低，另外也比較安全環(huán)保，循環(huán)壽命比較長(zhǎng)，但是能量密度比較低，跟鋰離子電池相比還有一點(diǎn)劣勢(shì)，可用在儲(chǔ)能市場(chǎng)上。目前我們的鈉電池實(shí)際測(cè)試的數(shù)據(jù)與我們的目標(biāo)接近，放電平臺(tái)也基本上達(dá)到我們的要求，100個(gè)次循環(huán)，放電容量保持率97%?？紤]到鋰離子電池在新能源汽車上的應(yīng)用前景問題，我們未來在籌劃廣東省第六批創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)，計(jì)劃開發(fā)燃料電池。目前我么批量供貨的產(chǎn)品三元體系有兩個(gè)，6.3安時(shí)和7安時(shí)，循環(huán)壽命2500次大于80%，磷酸鐵鋰體系電芯5安時(shí)和5.5安時(shí)，1C/1C 3000次，大于80%；三元VDA電芯，目前已經(jīng)有樣品線，生產(chǎn)線會(huì)在今年年底投入量產(chǎn)。本次演講主要目的還是想推廣我們的低溫電池，希望為北方新能源汽車的推廣做出我們的貢獻(xiàn)。
