沈阳锂电池较新技术介绍

2021-07-13  来自: 沈阳海川能源科技有限公司 浏览次数:30

电动汽车发展如火如荼,动力电池作为重要的部分之一,它的发展对电动车的续航有着决定性的作用。最近我们经常听到一些名词比如固态电池、蜂巢能源的果冻电池、蔚来汽车镍55电池、智己汽车掺硅补锂以及CTP/CTC技术等。其实这么多技术方向,根本目的都是为了提高电池的能量密度和保障性。在这篇文章中,沈阳锂电池小编带你来梳理下与之相关的技术路径。

先思考一个小问题:如果一个人去野外探险,背包装满了食物,那么如何让食物供应更长久呢?容易想到的方法一个方面是,装的食物的热量以及密度尽可能高,比如压缩饼干、巧克力等,另一个方面就是合理分配包里面的布局,装尽可能多的食物。

工程师们绞尽脑汁的为了提高电池包的能量密度,也是用的类似两个路径:电芯密度提升和系统(电池包)密度提升。提升电芯密度相当于食物本身热量更高;系统密度提升相当于背包里面装更多食物。当然在提升能量密度的同时,保障性始终是重中之重。为了提高电池能量密度和保障性,广大的工程师们做出了哪些努力以及当前出现了哪些新技术呢?现在我们就结合最近的新闻来探讨下。

 如何让食物本身的热量更高?——电芯能量密度提升

沈阳锂电池

电芯由三部分组成,正极、负极以及正负极之间的电解质,提升能量密度就从这三方面入手,我们一个个来看。

所谓“三元”锂电池指的是其正极材料有镍、钴、锰(NCM)三种元素,镍用于提升容量,钴为了稳定结构,锰作用在于降低成本以及提高材料的结构稳定。镍比例越高、钴和锰比例越少则能量密度越大,但保障性降低。

为提升能量密度,NCM配比从“111(N:C:M=1:1:1)”,提升到“523”,再到“811”。该路线一直是三元正极材料发展的主流方向。

另一个方向对应的就是单晶路线(主要来啦)。新发布的电芯正极使用的是单晶5系材料。单晶材料更适合做高电压。目前,商业化的三元正极材料大多是由纳米级别一次颗粒团聚形成的10微米左右的二次球型多晶材料。对多晶、单晶没有概念的可以参照一下石英砂与玻璃,两者同样都是二氧化硅,石英砂就是多晶材料,玻璃则可以认为是单晶材料。

多晶NCM内部存在大量晶界(grain boundary),在电池充放电过程中,由于各向异性的晶格变化,多晶NCM容易出现晶界开裂,导致二次颗粒发生破碎,比表面积和界面副反应快速增加 (图3),导致电池阻抗上升,性能快速下降。而单晶型三元材料内部没有晶界,可以有效应对晶界破碎及其导致的性能劣化问题[1]。因此,单晶结构可以实现更高的电压,不仅如此,还提升了三元材料的循环稳定性,大幅提升了电池保障性。

这是正极材料,下面看看负极。

负极—“掺硅补锂”技术:

近期有消息称,智己汽车正在与宁德时代共同开发“掺硅补锂电芯”技术,双方将共享技术专利。智己汽车表示,这款电池的能量密度较现在行业水平降高出30-40%,较高可实现约1000km续航、20万公里零衰减,这款电池将通过电芯材料配方的优化、成组技术隔热阻燃,以及全铸铝电池包壳体封装技术,结合BMS端云协同管理保证电池没有危险。

什么是“掺硅补锂电芯”技术?

传统锂离子电池的石墨负极密度较低,为追求高密度,新的负极材料硅碳、硅氧成为企业追逐的新热点。但是硅氧会存在效率低,需要补锂的问题。液态锂离子电池充放电过程中,电极材料与电解液在固液相界面上发生反应,形成一层覆盖于电极材料表面的钝化层。这种钝化层是一种界面层,具有固体电解质的特征,是电子绝缘体却是Li+ 的优良导体,Li+ 可以经过该钝化层自由地嵌入和脱出,因此这层钝化膜被称为“固体电解质界面膜”( solid electrolyte interface)简称SEI膜(正极也有层膜形成,只是现阶段认为其对电池的影响要远远小于负极表面的SEI膜[2])。硅碳负极补锂工艺是在硅碳负极表面预涂一层锂金属,该涂层与负极紧密接触,在灌注电解液后与负极发生反应嵌入负极颗粒内部,预存一部分锂离子在负极内部,从而弥补充放电或者循环过程中由于形成或修SEI膜所需要消耗的Li离子。相比于高难度、高投入的负极补锂工艺,正极补锂就显得朴实多了,典型的正极补锂的工艺是在正极匀浆的过程中,向其中添加少量的高容量正极材料,在充电的过程中,多余的Li元素从这些富锂正极材料脱出,嵌入到负极中补充充放电的不可逆容量。通过这种复杂的补锂工艺,可以实现负极材料的密度提升。目前尚不知道智己汽车具体是哪种技术,但智己汽车将应用这种锂电池基本已成定局。

最后看看电芯能量密度提升的最后一环——电解质。

电解质—固态电池 & 果冻电池

当地时间12月8日,由大众和比尔盖茨支持的初创公司QuantumScape公布了其较新固态电池的消息,并表示电池将于2024年投产。此种固态电池,相较于传统锂离子电池有了显著的改进:它们可以将电动汽车的续航里程提高80%。下面我们来探讨下什么是固态电池,它的好处又是什么。

与传统锂电池类似,固态电池由正极、负极和电解质组成。其结构比传统锂电池简单,固体电解质充当了电解液和隔膜的双重功能。正极材料与传统的锂电池并无本质区别。而负极材料为金属锂负极材料、碳族负极材料和氧化物负极材料。对固态电池来说,固态电解质的研究与开发较为重要,它的材料种类繁多,主要包括氧化物、硫化物、聚合物以及复合型固体电解质。

除了大规模使用的液态锂电池和正在研究中的固态电池以外,一种半固态的电池-果冻电池-进入人们的视野。2020年12月,蜂巢能源先发布果冻电池,并接受预定。果冻电池是一种应用了新型果冻状电解质的锂电池,这种凝胶型电解质可以与电极材料的表面较好的贴合,具有自愈合、阻燃等特点,在几乎不降低导电性能的同时阻止热扩散。果冻电池可以说是液态电池向固态电池发展的一个过渡。

2 如何装的更多?——系统密度提升-电池包新技术

除了提高电芯能量密度以外,让同样体积和重量的电池包里面装更多的电芯,也是一种提高电池能量密度的方法。这里简单介绍下目前比较新的电池包技术。

去掉内部封装——Cell to Pack (CTP)技术:

一般电池不仅较外部有电池包,内部还有一组一组电芯形成的“模组”,所谓CTP就是无模组化,电芯直接打包,目前是企业提高能量密度的一个主要选择。宁德时代、比亚迪、蜂巢能源均推出了无模组电池包技术。前一阵子比较火爆的比亚迪刀片电池就是基于磷酸铁锂电池,采用无模组设计提高了空间利用率。

内封外包全去掉——Cell to Chassis (CTC)技术:

特斯拉的电池日上,提出了一种结构化电池的方案(structural battery),把电池直接内置在汽车结构中(见龙哥之前的文章《特斯拉电池日信息解读》)。这种结构化电池技术与宁德时代此前提出的CTC技术类似,该技术将电芯和底盘集成在一起,再把电机、电控、整车高压系统通过创新的架构集成在一起,并通过智能化动力域控制器优化动力分配和降低能耗。

通过以上沈阳锂电池小编的介绍,相信大家已经对电池相关新技术有了一定的了解。虽然全固态电池的商用,还需要我们耐心的等待,但半固态电池、正极单晶材料以及掺硅补锂技术,相信近期就能被我们体验到了。


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