中國儲能網(wǎng)訊：本文為NE時代和同科芯能于10月16-17日聯(lián)合主辦的 "2019中日韓下一代新能源汽車電池技術(shù)大會"演講嘉賓的現(xiàn)場實錄。
演講人：萬向A123技術(shù)副總經(jīng)理 陳旸
演講主題：基于高鎳三元軟包動力電池安全技術(shù)進展
各位同仁，各位嘉賓大家下午好。我叫陳旸，來自萬向一二三。感謝組委會給我這個機會討論一下高鎳電池安全方面的問題，以及我們對這個問題的思考和在這方面的研究取得的一些進展。
我今天匯報的內(nèi)容包括這么幾大部分，第一部分簡單的介紹一下萬向一二仨的全球布局，二是在高鎳電池安全方面做的工作，我們的一些思路，還有我們?nèi)〉玫倪M展和未來的規(guī)劃。大家都知道萬向一二仨的前身是美國A123和萬向電池兩部分，美國A123是2001年在波士頓成立的，所以我們在波士頓有一個研發(fā)中心，主要是從事基礎(chǔ)材料方面的研究和電芯開發(fā)方面的工作。2008年的時候我們在底特律建立了動力電池事業(yè)部，并建立了工程研發(fā)中心，主要聚焦在做電池系統(tǒng)技術(shù)方面的研發(fā)工作，現(xiàn)在主要集中精力做12V起停電池和48V產(chǎn)品的研發(fā)。2009年隨著歐洲客戶的逐漸增加，歐洲客戶對技術(shù)支持的需求越來越大，我們在斯圖加特建立了斯圖加特的工程中心，主要用于服務(wù)歐洲的客戶。
萬向自己有電池企業(yè)，1999年開始，在杭州這邊我們有基礎(chǔ)研發(fā)，電芯開發(fā)和系統(tǒng)工程三大塊，涵蓋波士頓和底特律這兩部分。我們的全球研發(fā)團隊有具體的分工，高比能電池的開發(fā)更多的是在杭州這邊，系統(tǒng)方面高壓的開發(fā)也在杭州，基礎(chǔ)研發(fā)是全球團隊，但中美團隊有不同的側(cè)重點。最近一個變化在去年我們拿到英國政府支持的固態(tài)電池的研發(fā)項目，所以我們在英國的考文垂建立了一個小的研發(fā)中心支持這個項目。電芯和系統(tǒng)的生產(chǎn)主要在杭州，我們在捷克的奧斯特拉法有一個電池系統(tǒng)生產(chǎn)基地，為歐洲客戶提供48V和12V的電池系統(tǒng)。這樣一個全球的布局對吸收全球的人才和研發(fā)資源提高我們研發(fā)的能力是很重要的，同時也可以高效地為我們的全球客戶提供技術(shù)服務(wù)。
談及A123大家都知道我們原來在納米磷酸鐵鋰材料研發(fā)，以及在超級納米磷酸鐵鋰材料研發(fā)上取得了很大的成績。這個成績是得益于在材料本身的研發(fā)的投入。通過對納米磷酸鐵鋰材料的優(yōu)化得到的超級納米磷酸鐵鋰這個材料有非常優(yōu)異的低溫性能壽命和功率特性，這個材料使得我們48V的產(chǎn)品占據(jù)了全球超過半數(shù)以上的市場份額。
基于在低壓研發(fā)取得的經(jīng)驗，我們在高鎳三元電池開發(fā)方面也采用同樣的方式，從材料本身的研究入手。剛剛各位專家都已經(jīng)進過了，我們有很多在下游的圍堵的措施，熱失控之后怎么防止熱失控的蔓延，系統(tǒng)上怎么做早期預(yù)報工作等。這些都是下游很重要的工作。但是更重要的一個工作或者說還有一部分很重要的工作是在上游在源頭，如何來提高材料的穩(wěn)定性，避免這種熱失控的發(fā)生，這樣可能更從根本上解決問題。兩方面都是需要的，無論上游工作怎么樣來做，發(fā)生熱失控的可能性還是有，一旦發(fā)生了之后如何去堵，但是如果更多的精力放在如何避免發(fā)生，這樣對行業(yè)的發(fā)展會有更重要的意義。
我們的思路就想提高材料的熱穩(wěn)定性。大家都知道，材料表面包覆和摻雜是提高高鎳三元正極材料熱穩(wěn)定性的根本方法。我們是根據(jù)做磷酸鐵鋰吸收來的經(jīng)驗來做高安全的高鎳三元材料開發(fā)。要做這些材料的研發(fā)首先要做很多基礎(chǔ)性的工作，我們要知道提高三元材料熱穩(wěn)定性的機理是什么？三元材料為什么產(chǎn)生了熱的不穩(wěn)定問題？我們美國團隊和美國阿貢國家實驗室用先進的XRD設(shè)備去分析從811發(fā)生熱失控的過程當(dāng)中材料結(jié)構(gòu)發(fā)生了什么樣的變化。從圖中可以看出，811材料隨著溫度的提高從層狀結(jié)構(gòu)變?yōu)榧饩Y(jié)構(gòu)最后形成巖鹽并釋放出氧氣的過程。巖鹽的生長和氧氣的釋放是產(chǎn)生熱失控的根本問題。針對這樣一個根本的原因我們可以通過包覆和摻雜來延緩時巖鹽的產(chǎn)生，就可以提高材料的熱穩(wěn)定性。通過這種先進儀器，先進的方法可以清楚的看出，我們可以對摻雜和表面包覆對材料熱穩(wěn)定性的影響做定量分析。圖中紅線和黃線顯示這兩種包覆材料可以使巖鹽生成的溫度有明顯的提高。用這樣一套技術(shù)就可以明顯的來提高這個材料本身的熱穩(wěn)定性。降低發(fā)生熱失控的概率，或者說讓它在針刺濫用的條件下熱穩(wěn)定性更好一點，提高整個電芯的熱穩(wěn)定。
我們還做了一些添加劑的工作，在811里混合這種添加劑，對三元材料的安全性有了很大的提升，但是并沒有產(chǎn)生壽命容量方面的負作用。當(dāng)然最開始的時候是有這個問題，還有通過一些其他的方法解決這個負作用，提高它的安全性。這是典型的實例，這是我們做的一個46Ah的電芯，通過兩種材料表面的包覆，藍線是基準(zhǔn)材料的壽命，紅線和黃線是涂布以后的壽命。這個電芯可以通過100%的針刺，壽命并沒有衰減甚至還提升了一點點，這樣就可以保證在同樣性能的情況下提高電芯的安全性能。
現(xiàn)在270-280Wh/kg能量密度大尺寸的電芯，也采用了這樣一種技術(shù)。這個電芯可以通過針刺、過充、熱箱、短路等濫用實驗，這是從根本上來解決電芯的一個安全問題。這頁的東西是講 300Wh/kg 的電芯，正極采用了包覆后的 NMC811 加安全添加劑，負極是硅碳，電芯能量密度達到了 302Wh/kg ，這個電芯容量是 83.5Ah ，采用這樣的技術(shù)也可以通過針刺 , 結(jié)果是 EUCAR3 ，現(xiàn)在正在做壽命的評估。
前面我講的這個例子常規(guī)的高鎳三元正極，石墨或硅碳負極，液態(tài)電解液電芯的安全問題。 這些電芯的能量密度在280Wh/kg到 300Wh/kg 范圍內(nèi)。那么在 300 到 350Wh/kg 這個時候采用什么樣的技術(shù)解決電池的安全問題呢？一種思路固態(tài)電池。大家知道固態(tài)電池在能量密度和安全方面有明顯的優(yōu)勢，但固態(tài)電池也面臨很多挑戰(zhàn)。今天上午在另一個會場大家都在討論這個問題。
固態(tài)電池的主要問題就是離子導(dǎo)電能力，界面的問題，電化學(xué)的穩(wěn)定性和可制造性問題。我們現(xiàn)在萬向一二三做的這個方式，在這一頁里面可以給大家簡單的展示一下。萬向一二仨成立一個全球的研發(fā)團隊，以美國的研發(fā)團隊為主，與當(dāng)?shù)氐囊患夜虘B(tài)電解質(zhì)的公司合作從事固態(tài)電池的研究工作。去年我們拿到了英國政府的資助，與包括主機廠，大學(xué)和研究機構(gòu)在內(nèi)的多家合作伙伴一起形成一個全球的研發(fā)團隊。A123擅長電芯的研發(fā)，所以我們更多的是做電芯方面的工作，擅長材料的做材料方面的工作。我們采用分步式的研究方式，不是一步登頂。第一步是采用811石墨體系及固態(tài)電解質(zhì)去驗證這個技術(shù)的可行性，第二部通過硅碳負極的應(yīng)用將電池能量密度提高到350Wh/kg，第三部是采用高鎳三元與鋰金屬負極將電芯的能量密度提升到400Wh/kg的水平，最后通過采用下一代的正極材料技術(shù)和鋰金屬負極實現(xiàn)超過400Wh/kg的目標(biāo)。我們在這方面也取得了一些初步的成績，在這里面簡單的跟大家匯報一下。
這是一個年初的時候我們做的10Ah的電芯，這個電芯的正極811，負極石墨，能量密度當(dāng)時只有在140 Wh/kg左右，常溫下循環(huán)到80%的時候可以做到450個循環(huán)。今年年中的時候把能量密度提高到220Wh/kg，容量做到38個安時左右，在能量密度提升的情況下循環(huán)的水平保持在類似的一個水平。還有很重要的一點，大家都有一個疑問固態(tài)電池通常要作很高的溫度下工作，我們研發(fā)的這種固態(tài)電解質(zhì)的電池DCR的情況是什么樣的？這張圖可以給大家看，在室溫的情況下和同樣的811加石墨的電芯相比，DCR是811加石墨的兩倍，45度的時候DCR基本上相當(dāng)，低溫零度的時候也是比同樣的811加石墨的要高。在這方面還有很多的技術(shù)挑戰(zhàn)，但是至少我們看出來這個差距在逐漸的拉小，通過這些工作也讓我們知道自己還要在哪些方面要做工作。
因為這個電芯最終的應(yīng)用要在某些特殊的場合上應(yīng)用，我們做了一些在賽車場合的Driving cycle的測試，連續(xù)跑了十次這個溫度都沒有超過上限的溫度，或者放電的時候都沒有超過下限的電壓。還有很重要的一點，我們是利用現(xiàn)有的生產(chǎn)設(shè)備制備這些樣件的，這個對固態(tài)電池的研發(fā)是很重要的。固態(tài)電池研發(fā)當(dāng)中一個很重要的問題可制造性，我們現(xiàn)在做的電芯都是用的常規(guī)生產(chǎn)811加石墨的設(shè)備生產(chǎn)出來的電池，這是我們的研究方法里另一個比較特殊的地方，因為我們要在不增加成本，盡量能夠使用現(xiàn)有生產(chǎn)設(shè)備的條件下制造出這種安全性能得到了大幅度提高的高比能電芯來。
這是做針刺實驗時候的一個video，這個是NMC811/石墨的電芯能量密度在 250 Wh/kg 左右， 容量為38Ah。圖中紅線代表這個針刺過程中電芯的溫度。大家可以看到溫度瞬間很短的時間內(nèi)升高到40度，電壓基本上沒有什么變化。這個實驗結(jié)果給與了我們在這一方向繼續(xù)研發(fā)的信心。一是不去提高生產(chǎn)制造成本，至少不把現(xiàn)在的生產(chǎn)線全部打亂，第二安全性確實有很大的提高，能量密度提升的空間也有。但是這不是我們終極的目標(biāo)，即便是實現(xiàn)這樣的目標(biāo)也有還有很多技術(shù)的難題需要解決，我們還在研發(fā)階段。今年開始我們擴大我們的能力，小批量到中試水平。
這是萬向一二三高比能電池的技術(shù)路線圖?，F(xiàn)在是250Wh/kg的產(chǎn)品，2021年是280Wh/kg，2023年到300 Wh/kg，這個時候固態(tài)電解質(zhì)的電池要進入小批量的量產(chǎn)。計劃到2025年開始進行給OEM批量的生產(chǎn)（300-350）Wh/kg 的固態(tài)電池。380到400 Wh/kg 的全固態(tài)電池將與到2027年以逐步投放到市場。
萬向集團在電池的發(fā)展方面有很宏偉的計劃。這是我們現(xiàn)在在錢塘江邊規(guī)劃的的萬向創(chuàng)新聚能城，2.3平方公里做電池用的。規(guī)劃產(chǎn)能是80GWh，江邊有0.6個平方公里的土地用于建設(shè)萬向國際電池創(chuàng)新中心，開放實驗室為社會各界提供服務(wù)，大家共同創(chuàng)業(yè)為電池的事業(yè)發(fā)展共同貢獻力量。
簡單的總結(jié)一下，電池的安全，尤其是高比能電池的安全這是行業(yè)面臨非常大的問題，萬向一二三在這方面做了一些工作，我們認為通過基礎(chǔ)的研發(fā)從根本上提升電池材料本身的安全性是解決這個問題的有效途徑。我們在這方面做了很多的利用我們自己特有的表面涂敷和添加的技術(shù)做了很多工作也取得了一些成績，同時在固態(tài)電池的研發(fā)方面也取得了一些進展。我們還有很多艱苦的工作需要做，我們會沿著這個方向繼續(xù)能力，為行業(yè)的發(fā)展貢獻我們的力量。
