高比能动力锂离子电池开发与产业化技术攻关

高比能动力锂离子电池开发与产业化技术攻关 秦兴才 (天津力神电池股份有限公司，天津300384) 摘要：针对“新能源汽车”试点专项“高比能量锂离子电池技术”的指南任务。天津力神电池股份有限公司联合国内一 流锂电材料企业、高校和科研院所，组建项目研发团队，以开发300Wh／kg锂离子动力电池为目标，重点围绕电池关键 材料、电池单体产业化、电池系统开发及装车试运行开展工作。 关键词：高比能量；动力锂离子电池；正极；负极 中图分类号：TM 912 文献标识码：A 文章编号：1002—087 X(2016)10—2082—02 Tackling key technologies for development and industrialization of power lithium ion battery with high specific energy QrN Xing—cai a in Lishen Battery Joint-Stock CO．，LTD．，Tianjin 300384，China) Abstract：Based on the guideline of the power lithIum ion baffery with high specific energy of new energy vehicle． Tianjin Lishen Bakery collaborates with the first-class domestic Li-ion bakery material enterprises，universities and research institutes to develop the 300Wh／kg power Iifhium ion battery， focusing on key materials， cells industrialization，battery system development and demonstrations on vehicles． Key words：high specific energy；power Li-ion battery；positive electrode；negative electrode 1项目目的和意义 锂离子动力电池是新能源汽车动力系统技术发展的核 心。美国、日本、韩国和欧盟等都对动力锂电池新技术，特别是 高安全性、低成本、长寿命和高能量密度的动力锂离子电池新 体系和新技术需求十分急迫!各个国家都投人大量人力物力， 旨在攻克技术壁垒，在新能源动力汽车方面抢占先机『l_。 我国政府也已经在国家高技术研究发展计划(“863”计 划1中专门开列了包括混合动力汽车在内的电动汽车重大专 项。展开了新能源汽车示范，对动力电池产业化技术进行了扶 持和资金配套，使我国的动力电池企业迅速发展，技术水平显 著提高。 基于更高续航里程的需求，科技部下发的“十三五”新能 源汽车试点专项2016年度项目中，到2020年，我国锂离子动 力电池的单体比能量将会达到300 Wh／kg。基于该指南，天津 力神电池股份有限公司联合国内一流锂电材料企业、高校和 科研院所，组建项目研发团队，以开发300Wh／kg锂离子动力 电池为目标，重点围绕电池关键材料、电池单体产业化、电池 系统开发及装车试运行开展工作。 本项目的实施，可显著提升我国在锂离子动力电池全产 业链的技术水平和产业化竞争能力，提高我国在动力锂离子 收稿日期：2016-08-1O 基金项目：国家重点研发计划新能源汽车专项RO16YFBO10050q 作者简介：秦兴才(1962．-)。男。河南省人。正高级工程师，主要研 究方向为锂离子电池。 通信作者：薛原。E—mail：gmoffice@lishen．com．cn 2016．10 Vo1．40 No．1O 电池领域的市场份额。 2项目总体目标 本项目旨在开发比能量300 Wh／kg、循环寿命1 500次、安 全性能满足国标要求、成本0．8元／Wh的电池单体；建设一条 产能2亿瓦时的电池单体生产线，在项目完成时实现销售 3 000万瓦时或者装车1 000辆。重点围绕电池关键材料、电池 单体产业化、电池系统开发及装车试运行开展工作。 3研究内容 本项目的研究内容，核心为电池材料开发与安全研究，重 点是电芯设计与工艺，兼顾电池系统的开发。 3．1关键材料的开发研究 正、负极材料的主要研究内容为材料合成工艺中的工程 技术问题。 高镍正极材料的开发：着重研究前驱体控制结晶合成技 术、前驱体体相均匀掺杂、晶格修饰配方技术、富氧气氛二次 固相合成技术，研究锂配比及分布、烧结温度曲线等工艺参 数，确定材料的梯度组成和制备技术；研究可将表面残余锂转 化成与基体晶格匹配、化学稳定的L l02的表面包覆技术；突 破高性能、低成本材料的工程化关键技术，建立一条能够实现 大批量连续稳定生产高镍正极材料及其前驱体的生产线。 硅碳复合负极材料的开发：研究硅碳负极材料结构构筑、 制备及产业化，保持高可逆克容量的同时解决首次效率以及 体积膨胀对循环寿命的不利影响等问题。主要包括：研究纳米 硅及氧化亚硅前端制备技术，提高容量和效率；筛选作为骨架 2082 支撑结构的石墨为内核，提高首次效率和循环稳定性；研究 CVD包覆技术，包括包覆碳源选择，提高电子电导率及循环性 能；研究预嵌锂技术，包括锂源选择及预处理条件，提高首次 效率；各技术融合，确定各组分合适比例及产业化工艺。 新型电解液的开发：重点研究新型电解质盐二氟磷酸锂、 四氟草酸磷酸锂对电池单体的影响，新型氟代溶剂、非碳酸酯 溶剂与高镍材料的匹配性，适用于高镍正极材料的低阻抗正 极成膜添加剂，以及匹配硅碳类负极材料的添加剂等[2]。 3．2电池单体设计与工艺优化研究 极片设计主要研究正、负极片的活性物质配比、涂覆量、 孔隙率和电流密度对电池单体的循环寿命和倍率性能的影 响；重点对负极配方进行优化，包括：粘结剂与导电剂的选择 与配比的优化，涂覆工艺优化，热处理工艺和化成工艺对循环 性能、循环过程中电池单体厚度膨胀的影响等。 结构设计重点研究极耳位置和数量对电流密度、电池内 阻和倍率性能的影响，并开发与之相匹配的工艺与设备。 3．3电池单体的安全研究 热失控机理研究：确定电池关键材料的电化学反应机理 及副反应，分析电池在循环过程中产热的来源；计算正负极材 料的欧姆阻抗、电荷转移阻抗、扩散阻抗等产生的可逆热和不 可逆热，将电化学性能与材料结构演变进行耦合，提出合理的 高比能量锂离子电池热失控机理。 安全技术开发：研究电解液阻燃添加剂，采用新型涂层材 料和涂层技术的高性能复合涂层隔膜；研究热聚合材料的应 用工艺及其在电池热失控时的作用效果和对电池性能的影 响；研究热增阻型陶瓷化转变材料的应用工艺与作用效果。 3．4电池单体寿命衰减研究 研究电池单体寿命衰减的机理和影响因素，着重研究正 极材料表面和体相结构变化、负极材料体积膨胀和形貌变化、 正负极材料与电解液的界面特性、极片孔隙率与电流密度等 因素与寿命衰减之间的关系；研究电池单体制作工艺对其循 环性能的影响。 3．5均一性研究 从电池设计人手，研究电池材料、生产工艺、环境控制和 生产设备的一致性对电池单体一致性的影响，并有针对性地 进行质量控制技术开发，以确保电池单体的高度一致性。 3．6电池系统的研究 研究300 Wh／kg体系下的电池管理系统和热管理系统，包 括：SOC／SOH估算方法研究、均衡方法研究、对电池信息采集 精度的研究；热管理结构设计及部件选型、热管理控制策略等。 4预期经济社会效益 本项目预期在电池关键材料、电池单体开发制造和电池 系统开发上形成技术突破，建立自主知识产权体系，并实现量 产应用，可有效带动上、下游产业的发展，引领动力电池发展 方向。项目建成后，能够提供锂离子动力电池的良好开发、生 产环境。高比能动力电池的量产应用，可有效缓解电动车现面 临的行驶里程不足的问题，促进新能源车的推广应用，有助于 扩大新能源车的产业规模。 新能源车的普及应用，可减小交通领域的碳排放，以及传 统交通运输工具带来的废气、粉尘和噪声问题，有益于环保； 电力驱动汽车使得交通运输能源多样化、可再生化，降低国家 对石油进口的能源依赖度，提高国家能源安全水平；作为新兴 产业，新能源汽车其整个产业链覆盖较广，可以带动电池、储 能、电网等一系列行业的进步，促进汽车产业的发展，有利于 我国经济长期可持续的发展。因此，本项目社会效益明显。 根据力神公司的发展规划，到2020年将形成百亿瓦时的 动力电池生产能力。本项目基于软包电池所开发的高比能电 池体系，可以拓展应用于方形和圆形动力电池，覆盖全系列动 力电池产品。据此预期，项目建成后，直接和间接年产值将达 到百亿元人民币，经济效益显著。 参考文献： [1】 肖成伟，汪继强．电动汽车动力电池产业的发展[J]．科技导报， 2016(6)：74—78． [21 XU K．Electrolytes and interphases in Li—ion batteries and beyond ．Chemical Reviews，2014，1 14(23)：503—618． 2083 2016．1O Vo1．40 N0．1O