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激光焊接:下一代动力锂电池技术如何发展?

激光焊接:下一代动力锂电池技术如何发展?

分类:
行业资讯
作者:
新华鹏激光
2022-01-04

动力锂离子电池技术大致可以分为三代,以正极材料来划分,一代正极材料,一代动力锂离子电池。2010年的时候是第一代动力锂离子电池技术,重要是锰酸锂正极材料;第二代动力锂离子电池重要是三元锂电和磷酸铁锂作为正极材料,现在是风景正好,两种技术各有优缺点,都要继续提升。
未来动力锂离子电池技术,长远来看是全固态电池,近期来看是是现有电池技术在材料上的持续创新,电池的正负极材料、电解液\隔膜等材料技术,都还有继续往前走、继续提升的可能。因为全球钴资源紧缺,三元电池降钴是大趋势。此外,三元电池还有降镍和升镍不同的技术路线,降镍是把三元变成二元的镍锰酸锂;升镍则是做高镍电池,让电池能量更高。
从技术研发展来看,无论是铁锂还是三元,今天都已经看到了能量密度提升40%的可能性,以及成本进一步降低的可能性,即在几年内出现第三代锂离子动力锂离子电池。

下一代动力电池怎么样?

什么叫下一代动力锂离子电池?从过去10多年的发展过程来看,电池技术发展迭代得很快。正因为电池技术的进步,让车辆的电动化程度得到快速的提升。总的来看,动力锂离子电池技术大致可以分为三代,都以正极材料来划分,一代正极材料,一代动力锂离子电池。2010年的时候是第一代动力锂离子电池技术,重要是用锰酸锂作为正极材料,典型的车辆是日产聆风,一次充电里程在200公里左右。今天第一代动力锂离子电池已经走向了低速车和两轮车为重要应用。
今天,大家买电动汽车总是问是三元的还是铁锂的,这是三元和铁锂离子电池均是第二代动力锂离子电池技术,基于第二代正极材料即磷酸铁锂和镍钴锰(铝)三元氧化物正极材料。现在电动汽车一次充电里程比第一代新增了一倍多,第二代电池现在是风景正好,铁锂离子电池应用从大车到小车,从动力到储能,三元电池驱动纯电动汽车的续航里程不断提升,已经升到600-700公里。三元和铁锂离子电池各有优缺点,铁锂离子电池安全性高,成本低一些,但车辆续驶里程不够长,三元电池使车辆的里程变长,但还是贵了一些,安全性要进一步提升,所以要接着往前走。
我们现在讲的下一代动力锂离子电池技术,我的理解就是第三代。第三代动力锂离子电池技术是什么?远期的目标是全固态锂离子电池。近期来看,是现有锂离子电池技术在材料上的持续创新。
正极材料还有没有往前走的可能?有。从锰酸锂开始,后面还有什么可以用作正极材料?有高电压的尖晶石镍锰酸锂和高比容量的镍酸锂。负极材料,也能往更高比容量的方向走。
但第二代到第三代动力锂离子电池技术的提升,不太可能像之前一代走向二代相同,带来续航里程的翻倍上升。动力锂离子电池技术从第二代到第三代,预期续航里程上提升50%左右,成本下降50%左右。
因此,第三代动力锂离子电池技术中,相较于续航里程等性能的提升,成本下降更重要。降成本的话,材料应该往哪个方向发展?三元材料的种类多,但有一点是很明确的,降钴是大趋势。全球钴资源钴资源确实是越来越少。锂资源现在还不太清楚,因为更多的锂矿正在被发现,还有更多的锂在海水里面。
然后是镍的问题,从储量来看今后镍可能也不够用了。动力锂离子电池技术上也有降镍和升镍不同的路线。降镍,是把三元变成二元的,如镍锰酸锂离子电池;升镍的办法是做高镍电池,让材料的比容量更高。下面,重要讲一下动力锂离子电池降镍和升镍这两个技术方向。
降镍的技术方向,关键的材料是镍锰酸锂。第一代动力锂离子电池正极材料锰酸锂中1/4的锰换成镍以后,尖晶石结构不变,做成的电池电压就提高了,它跟石墨配对,电池的电压能达到4.5V往上。大家了解,磷酸铁锂离子电池的标称电压是3.2V,三元电池的标称电压是3.6V,这个能到4.5V,电压提升了,电池的能量密度就有优势。
如今,三元电池车型的续航里程能做到700多公里,但是安全性稍微弱一点,价格也偏高一些,磷酸铁锂车型的里程也能够接近600公里,价格会便宜一些。第三代动力锂离子电池技术重要解决的就是怎么能够做到既有很长的里程,又保证安全,还有更低的价格。从技术原理来看,镍锰酸锂离子电池有机会做到更长的里程,更高的性价比,同时更安全,但高压体系寿命上往往有问题,怎么能够保证该材料做成的电池具有长寿命。
近20年我们重要在做这个事情。业内有观点认为碳酸酯做电解液不行,我们认为是可以的。经过十几年的研发测试,今天我们还是用碳酸酯,碳酸乙烯酯,碳酸甲酯这些溶剂来配制电解液,还是用石墨负极,能够做得比高镍三元电池的循环寿命还要好,不仅仅是在室温下,在高温下也没问题,实验数据已经充分证明。

我们是怎么做到的呢?过去,镍锰酸锂很难实际应用,因为给它充电充到4.9V的时候,寿命短的问题出来了,人们还解决不了。我们通过特殊的界面层结构设计实现突破,即使是在高温下面,电池也仍然有很好的寿命。就材料来说,(充放电)两千多次以后还有90%以上的容量,有关全电池来讲,也有两千次以上的寿命,优于今天采用高镍三元材料的电池。
近年,中科院的研发团队,从北京到广东的松山湖材料实验室正在做(镍锰酸锂离子电池)全链条的开发,从材料的技术到极片的技术,电解液也在做一些功能性的调整,重要是为了克服镍锰酸锂离子电池的重要缺点,即高温下面的循环寿命问题。解决了寿命问题,该电池其它方面的优点都很明显,高能量密度,高倍率性能,特别是低温下的高倍率性能,还有成本的优势,也更安全。
从图表可以看出,跟今天的磷酸铁锂离子电池相比,同样的100Ah的电池,把磷酸铁锂换成镍锰酸锂做一下改进,负极不改变,电解液基本成分也不改变,做工、外壳都不要改变,就能够实现电池密度的提升,电池容量同样达到100Ah,电池电压提升了40.6%,这样电池的单位体积能量提升了40%,成本还能有每瓦时20%左右的降幅。这是材料去钴降镍的结果。
还有一个技术发展路径是升镍,现在行业里大家做升镍正极电池的积极性很高,到全世界去抢镍资源。因为把三元电池正极里镍的量提升,正材料比容量可以从160提高到180,继续提升到200mAh/g。但这里面也有要解决的问题:做高镍电池的时候,怎么保证有很好的循环寿命和稳定性。
在国家重点研发专项的支持下,行业正在加紧做高镍电池正极梯度材料研发。极限在哪里呢?极限是做到全镍,把钴完全去掉,做镍酸锂离子电池。
从目前第三代电池技术的研发来看,无论是磷酸铁锂还是三元锂电,今天都已经看到了能量密度提升40%的可能性,以及成本进一步降低的可能性。比如三元电池第三代假如走向镍酸锂的升级版,能量密度大概能提升40%,续航从今天的不到700提升到1000Wh/L;铁锂的能量密度同样可以提升40%,还可以把成本再降20%。
再远一点,就是全固态电池,这是革命性的技术,科技部重点研发计划新能源汽车专项希望通过原理创新开发出全固态电池,等下一代600Wh/kg的电池做出来时,动力锂离子电池不仅仅能开汽车,也应能够满足电动飞机的动力需求。这就是是我简要的介绍,请大家批评指正。

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