中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：2017年10月18日-19日，由中國(guó)化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會(huì)，中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十八研究所共同主辦，北京中涂國(guó)際會(huì)展有限公司承辦，上海恩捷新材料科技股份有限公司、深圳市新嘉拓自動(dòng)化技術(shù)有限公司、廣州紅運(yùn)機(jī)械冠名的兩年一屆的 “第三屆新型電池電解質(zhì)/隔膜材料技術(shù)國(guó)際論壇”（ABESF-3）在南京舉行。在“下一代鋰離子電池電解質(zhì)研究進(jìn)展”分論壇上，來自美國(guó)萬(wàn)向A一二三股份公司許夢(mèng)清博士做了“Development of Advanced Electrolytes for Low Voltage and High Energy Lithium-ion Batteries”的主題發(fā)言。
美國(guó)萬(wàn)向A一二三股份公司許夢(mèng)清博士就“Development of Advanced Electrolytes for Low Voltage and High Energy Lithium-ion Batteries”進(jìn)行了主題分享。
大家上午好，我叫許夢(mèng)清，來自美國(guó)A123，首先非常感謝論壇主席汪繼強(qiáng)先生、劉興江總工及論壇組委會(huì)邀請(qǐng)，給我提供這樣一個(gè)機(jī)會(huì)與大家一起交流學(xué)習(xí)。
昨天的報(bào)告已經(jīng)討論很多的高能量密度電池電解液的研究情況，由于A123公司在磷酸鐵鋰體系全球領(lǐng)先的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，我也想借此機(jī)會(huì)探討一下電解液在低電壓體系的應(yīng)用。
我的報(bào)告分為四個(gè)部分，第一個(gè)部分是簡(jiǎn)單介紹一下A123，第二個(gè)是我剛才說的低電壓體系，主要介紹一下我們的兩款旗艦產(chǎn)品，第一個(gè)是12V體系的啟動(dòng)電源，第二個(gè)部分就是48V的啟停電源，再一個(gè)部分就是探討一下A123在高電壓、高比能量密度電池的研發(fā)情況，重點(diǎn)介紹一個(gè)是230Wh/kg，第二個(gè)是250—300wh/kg的報(bào)告。
A123是一個(gè)全球化的公司，在北美、歐洲、亞洲都有不同的基地，美國(guó)密歇根州的Livonia是我們的總部，主要是進(jìn)行系統(tǒng)模塊的研發(fā)、集成。密歇根另外一個(gè)地方Romulus這是我們超級(jí)磷酸鐵鋰粉末的技術(shù)開發(fā)團(tuán)隊(duì)；全球的研發(fā)中心是在美國(guó)波士頓地區(qū)的Waltham這個(gè)地方。另外一個(gè)Hopkinton我們是一個(gè)測(cè)試中心，主要是模組，大電池的測(cè)試中心；在歐洲主要有兩個(gè)地方，一個(gè)是德國(guó)的斯圖加特，還有一個(gè)是捷克的Ostrava，這兩個(gè)地方主要服務(wù)歐洲的市場(chǎng)在低電壓的應(yīng)用。在中國(guó)有兩個(gè)地方，一個(gè)是杭州，主要是軟包電池的生產(chǎn)基地，也有一個(gè)研發(fā)中心，是輔助我們A123在美國(guó)波士頓地區(qū)的合作。另外一個(gè)在常州，主要是生產(chǎn)圓柱電池，客戶群體主要是F1賽車用戶。
大家都知道，我們?yōu)槭裁匆鲭姵?，主要是基于能源的考慮，還有一個(gè)環(huán)保的需求，A123在輕混、微混、EV還有PHEV都有涉足，主要是基于市場(chǎng)需求還有價(jià)格的考慮，我們?cè)贓V和PHEV，主要是三元材料體系，在微混和輕混主要是磷酸鐵鋰體系，主要是我們自己團(tuán)隊(duì)粉末的開發(fā)，主要是在48V，大家知道的啟停電源，還有一個(gè)就是12V體系的啟動(dòng)電源。
對(duì)于低電壓體系，我們主要的一個(gè)努力方向就是要想辦法盡可能的降低電池的內(nèi)阻，因?yàn)楫a(chǎn)品應(yīng)用對(duì)電池功率性有非常高的要求。這就是我們的兩個(gè)旗艦產(chǎn)品，一個(gè)是12V體系的啟動(dòng)電源，目前我們第三代產(chǎn)品價(jià)格已經(jīng)接近鉛酸電池，12V體系總共有12塊電池是4并聯(lián)3串聯(lián)，48V是14塊電池，是一個(gè)串聯(lián)系統(tǒng)。這個(gè)是我們剛才說過，主要是降低內(nèi)阻，從材料正級(jí)、負(fù)級(jí)、電解液以及電池的設(shè)計(jì)。第二代產(chǎn)品Ultraphosphate通過材料的研發(fā)，已經(jīng)能夠降低內(nèi)阻達(dá)到50%，下一代產(chǎn)品（我們的第三代產(chǎn)品）內(nèi)阻降低60%，同時(shí)價(jià)格也接近鉛酸電池，這個(gè)是非常有突破的地方。
這張圖給出了我們的12V體系的數(shù)據(jù)來闡明已經(jīng)完全達(dá)到了甚至超過了鉛酸蓄電池的性能，就是我們做能起的時(shí)候12V體系，這個(gè)是客戶的要求，我們?cè)陂_始階段，我們是要50%的SOC，能夠在零下28度啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。在循環(huán)壽命達(dá)到80%，在EOL的時(shí)候達(dá)到90%SOC可以啟動(dòng)這個(gè)電池。根據(jù)我們客戶反饋，我們的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手從三元這個(gè)角度去解決的話，只有在BOL SOC在90%的時(shí)候才能啟動(dòng)這個(gè)電源。這個(gè)性能相比鉛酸電池已經(jīng)完全超過鉛酸電池的性能，并且壽命是有10年。
這一個(gè)就是我們第一代產(chǎn)品電解液，因?yàn)橛行阅艿囊?，所以我們用了亞胺鋰鹽作為添加劑，成本非常高，為什么要用這個(gè)鹽呢？其一是其能夠提高電解液的熱穩(wěn)定性。我們知道傳統(tǒng)的六氟磷酸鋰/碳酸酯電解液，因?yàn)長(zhǎng)iPF6的不穩(wěn)定性，很容易熱分解形成LiF和PF5，PF5會(huì)跟小分子的水形成三氟氧磷，以及氟化氫等等雜質(zhì)。三氟化磷會(huì)催化電解液的熱分解，這樣一個(gè)反應(yīng)機(jī)理。亞胺鋰鹽可以穩(wěn)定五氟化磷（音），提高熱穩(wěn)定性。低溫也有優(yōu)勢(shì)，我們這里舉了兩個(gè)例子，第一個(gè)上面的左上圖是我們?cè)?8V伏啟停電源里面，如果我們把亞胺鋰鹽全部拿掉的話，可以看到低溫HPPC功率降了15%左右，同樣我們?cè)趩?dòng)電源里面零下28度，也是低溫性能受到影響。亞胺鋰鹽高溫和低溫都有好處，我們面臨的問題就是要降低成本，想辦法接近鉛酸電池，所以我們就開發(fā)了第二代產(chǎn)品。第二代產(chǎn)品首先我們的目標(biāo)是降40%，從電解液的角度，我們?cè)趺礃尤?shí)現(xiàn)，第一個(gè)肯定不能含亞胺鋰鹽的，F(xiàn)SI或者TFSI，我們的措施主要是引入低熔點(diǎn)的溶劑體系。第二個(gè)就是引入一些SEI膜形成添加劑，其形成的SEI膜DCR比較低。第三個(gè)我們也要導(dǎo)入一些熱穩(wěn)定性添加劑，這樣可以穩(wěn)定PF5，我們這個(gè)LiPF6分解的產(chǎn)物，因?yàn)槲覀儾粌H僅考慮低溫性能，還要考慮高溫性能。
經(jīng)過我們長(zhǎng)時(shí)間的研發(fā)，現(xiàn)在第二代產(chǎn)品是降了40%的成本，同時(shí)電池的性能比第一代產(chǎn)品要更加優(yōu)越。這個(gè)舉了一個(gè)例子，零下28度，上面兩個(gè)圖，一個(gè)是100%的SOC，一個(gè)是50%的SOC，根據(jù)客戶的要求，都是滿足客戶的要求，并且我們可以看到第二代產(chǎn)品紅色的是比藍(lán)色更加優(yōu)越。下面這個(gè)圖是在電池壽命結(jié)束的時(shí)候，我們可以看到用100%的SOC也是可以啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的，這個(gè)是第一代產(chǎn)品。以上我們談?wù)摰牡蜏匦阅?，那么電池的高溫性能怎么樣，我們做了電池?5度的循環(huán)，1.5C充/10C放，可以達(dá)到將近一千次循環(huán)，室溫可以達(dá)到兩千次循環(huán)，同樣我們也知道這個(gè)模塊里面是不能膨脹的，所以這個(gè)氣體的電池體積的增長(zhǎng)，也是我們比較關(guān)注的一個(gè)因素，這個(gè)電池是在60攝氏度滿電狀態(tài)存儲(chǔ)6個(gè)月，從這個(gè)電池外觀可以看到，基本上是沒有體積膨脹的。我們通過阿基米德體積增長(zhǎng)大概在10%左右。這個(gè)部分討論是我們啟動(dòng)電源，下面一部分我們就討論啟停電源，啟停電源能不能把之前的拿過來直接用，答案顯然是不行的，啟停電源還有一個(gè)很重要的是高溫循環(huán)以及充電（Regen）的能力。我們通過一些添加劑的引入，不同添加劑的篩選，正極、負(fù)極還有穩(wěn)定劑，因?yàn)槲覀兂?jí)磷酸鐵鋰粉末的比表面積非常大，所以要考慮Fe的溶出問題。我們成功開發(fā)出了第二代和第三代產(chǎn)品，第二代產(chǎn)品基本上都可以滿足性能，第三代實(shí)際上比我們第二代產(chǎn)品功率更高，但是產(chǎn)氣相對(duì)有一些風(fēng)險(xiǎn)。
這個(gè)就是我們的客戶需求，兩條線，一個(gè)是最大的電阻，下面一個(gè)就是Normal DCR，可以看到我們的產(chǎn)品都是接近Normal DCR甚至更低，在零度的時(shí)候，甚至?xí)陀谶@個(gè)客戶的要求。高溫循環(huán)怎么樣，同樣1.5C充10C放，可以做到兩千次循環(huán)。然后電池在60度儲(chǔ)存6個(gè)月的時(shí)間體積膨脹不超過2%，還有一個(gè)就是calendar life是10年以上，這個(gè)部分就是我要討論低電壓的。
下面我就討論一下A123高電壓、高比能量密度電池的開發(fā)情況。大家談起A123都知道是做磷酸鐵鋰，由于歷史的原因，我們?cè)诟吣芰棵芏入姵氐拈_發(fā)相對(duì)其他競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手起步會(huì)稍晚一點(diǎn)，這幾年也是投入了很多的研發(fā)，今年萬(wàn)向美國(guó)集團(tuán)投資將近1個(gè)億美金加速high energy電池的開發(fā)。我們?cè)谌ツ晔浅晒﹂_發(fā)了180Wh/kg的產(chǎn)品，今年年底會(huì)SOP 230Wh/kg這個(gè)項(xiàng)目，我們目標(biāo)在2020年實(shí)現(xiàn)300瓦時(shí)每公斤的產(chǎn)品開發(fā)，這一個(gè)圖就是我們根據(jù)中國(guó)的政府部門的要求，還有我們競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手在高比能量密度電池上的開發(fā)對(duì)比情況，可以看出A123在早期，還是想建立在磷酸鐵鋰基礎(chǔ)上的優(yōu)勢(shì)，開發(fā)NMC高比能量密度的電池相對(duì)比較滯后一些。我們目標(biāo)是在2020年左右，跟主要競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手達(dá)到一個(gè)相當(dāng)?shù)闹?。?026年目標(biāo)是在400WH/KG。這邊我介紹一下230Wh/kg的產(chǎn)品，從開始接觸這個(gè)項(xiàng)目是要找高電壓的添加劑，體系是2.75到4.4V，有一些自己合成的鋰鹽添加劑等等，我們篩選了很多添加劑，都是有一些高電壓循環(huán)性能的提升的。我們利用整體的技術(shù)就是4.4V，到45度1C充2C放可以達(dá)到1500次循環(huán)，室溫循環(huán)是兩千次以上，能量密度≥230Wh/kg。
因?yàn)锳123的產(chǎn)品，不單單只面向國(guó)內(nèi)，也瞄準(zhǔn)的歐美客戶。我們知道在國(guó)內(nèi)是把針刺這個(gè)部分暫時(shí)取消了，我們內(nèi)部也是要求非常高，是要通過Nail Penetration的安全測(cè)試，我們措施就是通過正級(jí)材料的改善，還有一個(gè)就是電解液添加劑的引入，我們是能夠成功通過Nail Penetration。大家知道單體電池的Overcharge還是比較容易的，難在哪里呢？是模塊，230Wh/kg這個(gè)體系一個(gè)模塊是5個(gè)電池，一個(gè)電池容量是53安時(shí)，知道從上面這個(gè)圖可以看到，過了之后電池的溫升最高不超過140度，如果我們這個(gè)電池溫度可以達(dá)到600度左右，這個(gè)就是我介紹230的體系，我們準(zhǔn)備在今年年底已經(jīng)SOP了。
后面我們討論一下250到300WH/kg的技術(shù)，要實(shí)現(xiàn)250到300甚至以上，正極唯一的選擇就是往上高鎳材料上走，622、811，8.5、8.7，你如果用石墨的話是沒辦法達(dá)到這個(gè)體系的。我們必須引入這個(gè)硅，或者是其他的合金負(fù)級(jí)材料，合金負(fù)級(jí)就是體積膨脹很嚴(yán)重，傳統(tǒng)的binder是沒辦法滿足合金負(fù)極的體積膨脹帶來的問題。我們內(nèi)部也是有一個(gè)團(tuán)隊(duì)，在進(jìn)行新型的binder研發(fā)。正極往后面走的話，我們是對(duì)這個(gè)高梯度材料是比較感興趣的，因?yàn)榭梢越鉀Q電池的安全性問題。到最后2025年之后，400WH唯一的選擇就是固態(tài)電池，在A123也在開展相關(guān)的研究工作，也在北美投資了做固態(tài)電池的公司，同時(shí)也跟一些做鋰電池金屬的公司開展合作。對(duì)于實(shí)現(xiàn)350Wh/kg我們有三個(gè)技術(shù)方案平臺(tái)，第一個(gè)就是NMC622加硅碳體系，必須在高電壓體系做。第二個(gè)就是811，還有石墨，第三個(gè)就是811和硅碳，因?yàn)槲覀冎谰褪钦f把容量做上去就是很容易的，難在通過所有的安全測(cè)試？我們跟美國(guó)的阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和Wildcat公司進(jìn)行緊密的合作，通過材料的改進(jìn)，共同開發(fā)，給予我們一些技術(shù)支持。這是我們第二代產(chǎn)品和第三代產(chǎn)品做的硅碳體系的。我們前年年底的時(shí)候已經(jīng)達(dá)到了700次循環(huán)的壽命，今年在材料、binder加上電解液攻關(guān)，目前達(dá)到了550Wh/L，循環(huán)壽命，如果說我們把充換電的窗口縮小的話，可以做到520WH/升，達(dá)到一千次循環(huán)，同時(shí)可以顯著提高能量密度。還有一個(gè)問題也是我們比較頭痛的問題。我們進(jìn)行電解液的開發(fā)，還有一個(gè)材料的修復(fù)，想辦法降低產(chǎn)氣的問題。
最后一個(gè)是在將近300WH/升，我們做的是811和硅碳體系，室溫已經(jīng)做到兩千循環(huán)，通過電解液的改善，我們也可以提高這個(gè)電池的倍率性能，能量密度在260WH公斤以上。目前我們還沒有做安全測(cè)試這一塊，當(dāng)然難度會(huì)比較大。
最后我總結(jié)一下，我們?cè)诘碗妷后w系，A123在全球擁有領(lǐng)先的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，230也是成功的SOP，在250-300Wh/kg這個(gè)能量密度體系上，我們也取得了顯著的突破，目前解決是高溫儲(chǔ)存，高溫產(chǎn)區(qū)問題，還有安全的問題。
以上就是我的報(bào)告，謝謝大家！
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