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王強博士:天勁新能源固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)路徑思考

發(fā)布時(shí)間:2020-10-17 閱讀量:




▲圖為天勁新能源CTO、研究院院長(cháng)王強博士在臺上演講

2020年10月16日, 動(dòng)力電池及產(chǎn)業(yè)鏈重量級行業(yè)盛會(huì )——“第五屆動(dòng)力電池應用國際峰會(huì )(CBIS2020)暨首屆中國新能源新材料(寧德)峰會(huì )”盛大啟幕。在主題論壇2上,天勁新能源科技股份有限公司CTO、研究院院長(cháng)王強博士發(fā)表了題為“固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)路徑的思考”的專(zhuān)題演講。


王強博士說(shuō):我匯報的題目主要分為四部分,第一部分是固態(tài)電池的簡(jiǎn)單介紹;第二個(gè)是研究思路;第三個(gè)是解決方案;第四個(gè)是已取得的目前一點(diǎn)點(diǎn)研究成果。

固態(tài)電池,不想展開(kāi)去講,因為現在行業(yè)里面研究固態(tài)電池挺多,我只是講一下我們目前,因為天勁新能源主要聚焦在軟包動(dòng)力這塊,所以做固態(tài)電池的基礎條件相對比方形或者圓柱好一點(diǎn)點(diǎn),所以這個(gè)地方更多談到軟包實(shí)現路徑。因為固態(tài)電池目前有一些共性的問(wèn)題:第一個(gè)是固態(tài)電解質(zhì)離子電導率低;第二個(gè)固態(tài)界面缺乏可視量化手段;第三個(gè)固態(tài)電池目前整個(gè)的制成工藝對產(chǎn)業(yè)的顛覆比較大一點(diǎn),所以有沒(méi)有更簡(jiǎn)單、成熟的辦法去做這個(gè)事情,下面會(huì )講到。

目前,整個(gè)行業(yè)電池的發(fā)展水平可能大家都會(huì )提到以后會(huì )發(fā)展到400Wh/kg或者500Wh/kg,但是考慮到目前材料儲備的情況,300Wh/kg到350Wh/kg來(lái)實(shí)現固態(tài)電池的初步量產(chǎn),我覺(jué)得在兩到三年可能希望會(huì )大一點(diǎn)。我們這個(gè)地方的整個(gè)思路,在符合固態(tài)電解質(zhì)采用的是原位聚合,精準固化,與現有的動(dòng)力產(chǎn)線(xiàn)工藝兼容性比較好一點(diǎn),這是目前實(shí)現的基礎思路。第二個(gè)目前正極采用高鎳,負極采用硅氧。后面這個(gè)是和中科院聯(lián)合開(kāi)發(fā),后面會(huì )簡(jiǎn)單談一下。


其實(shí)這里面的固態(tài)電解質(zhì),這次談到的是聚合物的固態(tài)電解質(zhì),會(huì )區分于傳統的硫化物或者氧化物固態(tài)電解質(zhì)。我感覺(jué)這幾年聚合物的電解質(zhì)還是會(huì )有更快的產(chǎn)業(yè)化的速度,因為它目前采用的方式第一個(gè)是小分子,第二個(gè)是離子液體,第三個(gè)塑化劑,實(shí)現路徑很多。我們天勁新能源目前采用的方案通過(guò)的是原位聚合的方式,我們在軟包這個(gè)層面,通過(guò)增加前軀體溶液,通過(guò)熱引發(fā)聚合的方式實(shí)現這個(gè)方式。整個(gè)的產(chǎn)線(xiàn),包括整個(gè)作業(yè)方式,整個(gè)軟包工藝其實(shí)調整幅度非常小。我們做動(dòng)力電池,目前行業(yè)里面做PACK上面會(huì )有很多防熱失控的辦法,比如說(shuō)有云霧片,其實(shí)PACK有很多防止熱失控的方面。電芯有沒(méi)有熱失控內生因素在里面,這是整個(gè)工藝目前實(shí)現途徑。目前,嘗試的結論是比較適合規模化量產(chǎn),這里講到初步的性能。我們在整個(gè)的涂布工藝,包括聚合工藝上面其實(shí)做了很多的嘗試,有很多參數變量做了很多的優(yōu)化。包括現在行業(yè)對NCM811或者NCA有一些顧慮,我們這個(gè)方式可能在電芯內部去植入一些防熱失控的方案,其實(shí)這個(gè)有一個(gè)很特別的地方,現有的國標都能夠滿(mǎn)足,甚至安全測試的國標的滿(mǎn)足性比NCM622或者NCM523的性能還要好。因為NCM811有一個(gè)蠻特別的就是過(guò)沖能力比較強,會(huì )發(fā)現現在的不管是NCM811和NCA,更多是熱失控怎么防控的問(wèn)題,而不是國標的測試要求。


這是我們總的思路,目前采用的就是鋰鹽引發(fā)DOL的開(kāi)環(huán)聚合,聚合溫度大概50-60度,和軟包整個(gè)工藝老化的溫度比較接近一點(diǎn)。整個(gè)基本原理這個(gè)地方也不多講,因為只是考慮到目前參考很多文獻,包括一些研究院所初步的結論,初步選了這個(gè)DOL進(jìn)行開(kāi)環(huán)聚合。

這是目前做得一些相關(guān)的研究東西,其實(shí)會(huì )發(fā)現60度的熱聚合的DOL表現的已經(jīng)有聚合物或者高分子的特性,因為這里面暫時(shí)沒(méi)有加增塑劑,包括其他的添加劑,所以離子導電率低一點(diǎn)。這個(gè)看到離子導電率已經(jīng)非常接近目前能夠使用的電解液的要求,因為我們在整個(gè)的應用偏向于純電動(dòng)動(dòng)力電池這塊,所以說(shuō)整個(gè)的倍率要求,包括整個(gè)能量密度的要求,相對來(lái)講還在一個(gè)可控范圍之內,所以后面會(huì )看到整個(gè)測試的性能。這個(gè)地方要強調一點(diǎn),整個(gè)的過(guò)程中其實(shí)隔膜是會(huì )存在的,包括陶瓷涂層也是會(huì )存在,只不過(guò)注液的時(shí)候有一些變化。不管是剛才談到的鋁塑膜,包括隔膜,包括陶瓷涂層,包括常規的這些正負極材料采用原位的方式。

這是和科研院所一起開(kāi)發(fā)的設備,主要解決在固態(tài)電池或者半固態(tài)電池的過(guò)程中,電極與電解質(zhì)接觸過(guò)程中,怎么樣原位表征這個(gè)應力的方式。因為會(huì )發(fā)現原位應力在電池進(jìn)行充換電,或者限定一個(gè)電壓窗口,或者不同的溫度下進(jìn)行測試的時(shí)候都可以實(shí)時(shí)監控正極材料與電解液的固態(tài)電解質(zhì)目前的接觸應力,我們后面其實(shí)也有很多的數據,只是這個(gè)地方我們沒(méi)有把它完全展開(kāi),因為今天主要講思路會(huì )多一點(diǎn)。


王強博士認為,目前固態(tài)電池制造相對來(lái)講是一個(gè)最核心的,不管將來(lái)做金屬鋰,還是目前的石墨、硅氧使用范圍是一樣的,這個(gè)適用比較多的體系。PPT上面講的是復合鋰,本身企業(yè)做研發(fā)或者跟高校合作,金屬鋰用的多一點(diǎn)。目前,采用的方式用的是石墨加少量的硅氧,配合高電的正極進(jìn)行同步精準的固化,利用的是現有的軟包生產(chǎn)工藝。這是目前初步的一個(gè)性能,這是第一個(gè)產(chǎn)品目前能量密度大概是在277Wh/kg,體積是568Wh/L,整體循環(huán)壽命還有優(yōu)化的空間,只是說(shuō)可能對目前的固態(tài)電池或者原位聚合的過(guò)程參數還需要進(jìn)一步的去進(jìn)行優(yōu)化。

這是第二個(gè)產(chǎn)品能量密度在302Wh/kg,配合的是硅氧加石墨,整個(gè)循環(huán)性能目前還不是說(shuō)特別優(yōu)異,因為這和目前的固態(tài)電解質(zhì)的導入會(huì )有一些關(guān)系。如果采用常規的這種液態(tài)電解質(zhì),循環(huán)壽命比這個(gè)要好一點(diǎn)點(diǎn),就是后續還需要改進(jìn)的一些地方。剛才也提到了,再強調一次,我們做這個(gè)事情最后的出發(fā)點(diǎn)就是要在電池內部植入一個(gè)能夠防止電池熱失控或者熱擴散的這么一個(gè)關(guān)鍵的組成或者一個(gè)組分放在里面,這和原有的液態(tài)電解質(zhì)的方式會(huì )有一些不一樣的地方。這也是除了在行業(yè)發(fā)展中,更多從PACK層面進(jìn)行熱失控或者熱擴散的防控。有沒(méi)有可能在電池內部干這么一個(gè)事情,我們還在探索,希望得到大家的批評指正。

剛剛電芯出來(lái)之后,其實(shí)我們也在思考今年行業(yè)的PACK創(chuàng )新能力還是很大的,不管是刀片電池,還是CTP,對軟包來(lái)講,這種方式好像很難去實(shí)現CTP的方式,CTC可能更難。我們作為一個(gè)軟包動(dòng)力的供應商,其實(shí)我們也在思考將來(lái)有沒(méi)有機會(huì )去做到比如說(shuō)在電芯的單體能量密度還沒(méi)有大幅的提升情況下,有沒(méi)有機會(huì )像方形那樣去做一些輕量化或者一些提升系統能量密度的方式。目前采用的方式還是盡量把這個(gè)模組做大一點(diǎn),里面看到整個(gè)方式采用的塑料框架的PACK方式。這頁(yè)表示的是整個(gè)換電的電池包最后的一個(gè)形態(tài),因為這個(gè)換電電池包標準箱最后的組成由四個(gè)標準箱組成,每個(gè)標準箱15度電,運用在物流車(chē)或者應用在乘用車(chē)上面,標準配套60kWh的電量,這也是目前和杭州一家公司一起合作的換電電池包。所以整個(gè)過(guò)程當中會(huì )看到一個(gè)標準箱里面總共只有2個(gè)模組,采用大框架加上整體灌膠方式,上面有很多鏤空的結構,里面灌的是阻燃的膠,也有導熱的參數在里面。

總的來(lái)說(shuō),做動(dòng)力電池希望不僅僅是從PACK層面,而且還需要從電芯的層面更多去思考將來(lái)電池行業(yè)的發(fā)展。因為現在來(lái)講,因為我們本身這個(gè)行業(yè)發(fā)展到現在其實(shí)已經(jīng)慢慢又回到原來(lái)的磷酸鐵鋰的這么一個(gè)狀態(tài),可以看到很多不管是商用車(chē),還是部分乘用車(chē),慢慢轉回到鐵鋰狀態(tài)。三元是不是沒(méi)有什么發(fā)展前途,其實(shí)我覺(jué)得技術(shù)還是在不斷進(jìn)步,可能在未來(lái)1到2年,在三元安全性方面,我想會(huì )有一個(gè)比較大的突破,這時(shí)候整個(gè)行業(yè)的路徑或者是整個(gè)行業(yè)的研究方向都會(huì )有一個(gè)比較大的變化。磷酸鐵鋰是一個(gè)很好的方式,但是我覺(jué)得在三元上面,我們還是要同心協(xié)力,大家共同進(jìn)步。

謝謝大家!