2019年6月24日至27日，美國(guó)圣地亞哥舉行了第19屆車載電池前瞻技術(shù)國(guó)際會(huì)議“19th Annual Advanced Automotive Battery Conference（AABC 2019）”。
目前，車載電池領(lǐng)域主要的開發(fā)方向大都是如何提高電池能量密度與Pack能量密度，從而進(jìn)一步提高電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程，以及電氣化的低成本或者輕量化的方向。
然而，在本屆會(huì)議上，我們看到了一些稍顯不同的方向，比如如何利用電池的高安全性、對(duì)包裝的限制、高阻燃性和高耐熱溫度、可安全使用的寬范圍SOC（充電狀態(tài)）等，來(lái)提高Pack性能，或者是利用小容量電池實(shí)現(xiàn)電動(dòng)化（圖1）。
圖1：車載電池開發(fā)的新方向
例如不僅僅靠提升電池能量密度，而是利用其他方法來(lái)提升電池pack的能量密度，或是實(shí)現(xiàn)低成本化。
包裝材料高達(dá)總質(zhì)量的17％
“包裝材料占電池組重量的17％?！?美國(guó)陸軍研究實(shí)驗(yàn)室（US Army Research Laboratory，ARL）電化學(xué)材料專家Arthur Cresce在AABC 2019上發(fā)表了演講（圖2）。
Arthur Cresce所在實(shí)驗(yàn)室正在開發(fā)高安全性且?guī)缀鯖]有包裝限制的電池技術(shù)。如果使用該技術(shù)，則可以簡(jiǎn)化電池組的包裝，并且可以通過減輕重量來(lái)提高電池組的能量密度。
圖2：ARL的Arthur Cresce
“目前的鋰離子電池（LIB）使用許多組件和部件來(lái)防止碰撞或過充等等的危險(xiǎn)事件。固體聚合物電池由于聚合物電解質(zhì)的高安全特性，使得削減相關(guān)的組件或部件成為可能。
美國(guó)A123系統(tǒng)公司的電池產(chǎn)品開發(fā)副總裁（VP）Brian Sisk （圖3）強(qiáng)調(diào)：“屆時(shí)用于防碰撞的金屬結(jié)構(gòu)，以及用于過充保護(hù)的繼電器和其他電子元件都可能被省略”。
圖3 ：A123 Systems的電池產(chǎn)品開發(fā)副總裁Brian Sisk
若SOC使用范圍加寬，則可以降低所搭載的容量
“通過擴(kuò)大可使用的安全SOC范圍寬度，可以實(shí)現(xiàn)使用48V電源系統(tǒng)的輕度混合動(dòng)力汽車（MHEV）所需的電池容量減半?！?負(fù)責(zé)東芝電池部電池聯(lián)盟和戰(zhàn)略部產(chǎn)品規(guī)劃的山本在會(huì)上表示（圖4）。
圖4：東芝電池事業(yè)部電池聯(lián)盟與戰(zhàn)略部產(chǎn)品規(guī)劃總監(jiān)山本
東芝公司的想法是采用鈦酸鋰（LTO）氧化物作為負(fù)極的鋰電池“SCiB”。由于SCiB的能量密度低于普通LIB，因此必須堆疊“1.5倍”才能達(dá)到相同的容量。
如果可以實(shí)現(xiàn)裝機(jī)容量減半，無(wú)疑是有效降低成本的好方法。據(jù)山本介紹，如果裝機(jī)容量減半，那么SCiB電池的成本就相當(dāng)于普通LIB的成本。同時(shí)，電池Pack封裝時(shí)SCiB不需要被夾緊固定（緊密包裝），冷卻方式也可以直接采用自然冷卻，所以能夠進(jìn)一步降低成本。
以這種方式，不同于提升電池的能量密度，而是利用一些其他的特性來(lái)提升電池Pack的性能，這種方法在汽車電池領(lǐng)域開始逐漸被關(guān)注。其中豐田汽車就被視為這一領(lǐng)域的先鋒。該公司正在開發(fā)的全固態(tài)電池目標(biāo)在2020年代上半期實(shí)現(xiàn)商業(yè)化推廣，其優(yōu)勢(shì)之一是全固態(tài)電池的阻燃性和耐熱性等。
省略排氣和冷卻的空間、部件及材料
2018年6月，豐田電池生產(chǎn)工程部總工程師巖瀬正宜在接受日經(jīng)汽車記者采訪時(shí)指出：“對(duì)于使用固體電解質(zhì)的全固態(tài)電池來(lái)說，相比現(xiàn)有的LIB，可以省略對(duì)電池組必不可少的排氣和冷卻空間和系統(tǒng)。它有可能使電池組的體積能量密度翻倍?！?
現(xiàn)有的LIB通常使用可燃的有機(jī)電解液作為電解質(zhì)。該電解液在80度以上溫度下會(huì)分解產(chǎn)生氣體，更惡劣的情況還會(huì)導(dǎo)致爆炸，冒煙或起火。因此，排氣和冷卻的空間和系統(tǒng)是必不可少的。
而全固態(tài)電池中使用的固體電解質(zhì)具有阻燃性，即使在200度時(shí)也不會(huì)燃燒，并且耐熱性能夠承受80——150度的高溫，因此對(duì)于節(jié)省空間和系統(tǒng)有很大幫助。
通過凝膠化和凝固提高電解液安全性
現(xiàn)有的鋰離子電池（LIB）使用可燃性有機(jī)電解液作為電解質(zhì)。通過將電解液改為凝膠或固體聚合物電解質(zhì)，電池安全性得到改善，而且對(duì)于能量密度的提高和作為電池組的成本降低也有幫助。
美國(guó)陸軍研究實(shí)驗(yàn)室ARL和A123系統(tǒng)、以及美國(guó)IM公司（Ionic Materials）在演講中均提到了上述觀點(diǎn)。ARL使用凝膠聚合物電解質(zhì)（GPE），A123 Systems和IM團(tuán)隊(duì)使用固體聚合物電解質(zhì)來(lái)提高電池的安全性。
不易燃、無(wú)毒且耐損壞
ARL的目的是消除對(duì)電池完全密封的需要，并且在制造電池組時(shí)支持各種包裝而不犧牲電池性能。
ARL電化學(xué)材料專家Arthur Cresce先生在本次AABC上表示“包裝材料占電池組質(zhì)量的17％”（圖1）。如果可以簡(jiǎn)化和減輕包裝，則可以提高電池組的能量密度。
圖5：使用錳酸鋰（LMO）作為正極的LIB電池組的質(zhì)量分解
為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，ARL正在研究用鋰（Li）鹽中含水的水膠凝Li鹽電解質(zhì)（Water-in-Bi-Salt，WiBS）用作LIB的電解質(zhì)。使用Li鹽中含有水的電解質(zhì)，可以使LIB不易燃，無(wú)毒并且不易損壞。
通過將液體WiBS（其為單體的混合物）與紫外光（UV）照射以促進(jìn)聚合化和橋接* 1的形成來(lái)制備凝膠的聚合物電解質(zhì)（圖6）。
* 1：形成鍵以便在鏈狀聚合物分子之間橋接
圖6：ARL設(shè)計(jì)的凝膠聚合物電解質(zhì)（GPE）的生產(chǎn)過程
據(jù)Arthur Cresce介紹，ARL試作電池的能量密度約為200 Wh / kg。電池使用磷酸釩鋰（LiVPO4）作為正極，石墨作為負(fù)極，GPE作為電解質(zhì)。除了使用GPE作為電解質(zhì)之外，另一個(gè)特征是負(fù)電極的表面涂覆有與氫氟醚（HFE）交聯(lián)的聚環(huán)氧乙烷（PEO）。這使負(fù)電極表面穩(wěn)定，并能在4V電壓下進(jìn)行50次充放電循環(huán)。
A123預(yù)計(jì)2022—2023年開始電池量產(chǎn)
另一方面，A123系統(tǒng)和IM公司的做法是，在提高電池安全性時(shí)，減少用于保護(hù)電池Pack的金屬結(jié)構(gòu)以及用于過充保護(hù)的繼電器與其他電子元件。A123 Systems的Brian Sisk在會(huì)議上透露，公司使用IM的固體聚合物電解質(zhì)。
根據(jù)IM創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官M(fèi)ike Zimmerman的說法，該公司的聚合物電解質(zhì)“具有新的離子傳導(dǎo)機(jī)制”（圖7）。例如常見的聚合物電解質(zhì)之一的基于環(huán)氧乙烷的聚環(huán)氧乙烷（PEO），在離子傳導(dǎo)中要求聚合物鏈的移動(dòng)性和非晶相（溫度高于玻璃化轉(zhuǎn)變點(diǎn)），但I(xiàn)M的聚合物電解質(zhì)據(jù)說不依賴于這些條件。
因此，它在很寬的溫度范圍內(nèi)具有高離子電導(dǎo)率，室溫下最大值為1.3 mS/cm。盡管還無(wú)法達(dá)到固體電解質(zhì)中的最高水平---LGPS（鋰，鍺，磷，硫）的離子電導(dǎo)率為（1.2×10-2 S/cm），但在聚合物電解質(zhì)材料中可以說已經(jīng)具備最高的離子電導(dǎo)率。
圖7：IM創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官M(fèi)ike Zimmerman
IM聚合物電解質(zhì)的Li離子傳導(dǎo)率超過0.5。它是一種不燃性材料，生產(chǎn)成本以及前驅(qū)體成本都很低，可應(yīng)對(duì)5V電壓。因此也可以應(yīng)用于下一代陰極材料。Zimmerman先生透露，接下來(lái)的項(xiàng)目是“旨在實(shí)現(xiàn)與LGPS相當(dāng)?shù)碾x子電導(dǎo)率”。
A123 Systems計(jì)劃使用這種IM固體聚合物電解質(zhì)，實(shí)現(xiàn)車載電池的商業(yè)化。實(shí)際上A123系統(tǒng)已經(jīng)試制完成了具有16Ah和10Ah容量的樣品電池，除了上述電解質(zhì)，還采用了811配比的鎳-錳-鈷酸鋰（NMC）正極和石墨負(fù)極的組合。此外，A123還計(jì)劃基于上述樣品電池，在2019年第四季度生產(chǎn)一種容量為50——60Ah的固體聚合物電池。該電池的A樣電池樣品將在2020年第一季度提供給汽車制造商，B樣樣品將在2021年初提供給汽車制造商，2022年——2023年左右將正式量產(chǎn)。
而接下來(lái)的計(jì)劃中，A123 Systems將用石墨和硅（Si）代替負(fù)極材料，進(jìn)一步將用Li金屬代替負(fù)極材料，最后用先進(jìn)的正極材料代替現(xiàn)有正極材料（圖8）。
圖8 ：A123 Systems固體聚合物電池的開發(fā)步驟
根據(jù)AAB3 2019上A123系統(tǒng)的Brian Sisk先生演講，首先，使用現(xiàn)有LIB電池中的NMC正極和石墨負(fù)極進(jìn)行商業(yè)化。之后，依次用高級(jí)材料代替負(fù)極和正極。
順便說一下，該公司試制完成的16Ah容量電池是使用現(xiàn)有設(shè)備生產(chǎn)的，其能量密度為185Wh / kg。IM的聚合物電解質(zhì)應(yīng)用于替換正極混合物的電解質(zhì)，負(fù)極混合物的電解質(zhì)和隔膜。隔膜的聚合物電解質(zhì)的厚度據(jù)說為30μm。
根據(jù)該公司進(jìn)行的電池穿刺試驗(yàn)，電池的最高溫度低至27.8℃，沒有排放物或著火。在測(cè)試期間電池電壓逐漸降低，并且即使在釘刺穿1小時(shí)半后仍保持超過4.06V的電壓，顯示了超高的安全性。
