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国轩高科李缜:探讨下一代动力电池技术发展趋势和应用前景

作者:森林 2022-01-11 11:04:04 来源:新能源汽车网

李缜

  李缜,国轩控股集团董事长,国轩高科股份有限公司董事长、总经理

  导语:

  近日,国轩控股集团董事长,国轩高科股份有限公司董事长、总经理李缜,于《汽车专家述评》(12月刊)“顶层设计与政策导向”板块,发表题为《下一代动力电池技术发展趋势和应用前景》的文章。

  文章中探讨了下一代动力电池技术发展趋势和应用场景,提出硅负极和预锂等新材料和新技术将是磷酸铁锂和三元电池的“突围之路”等重要观点,以期对行业的发展提供指引和思考。以下为全文内容。

  动力电池作为新能源汽车的核心部件,其安全性、能量密度、寿命、成本等直接影响着新能源汽车的发展。然而,尚无一种电池体系可完全满足上述所有应用需求,目前仍处于以三元和磷酸铁锂两种体系引领共存的发展阶段。三元动力电池有着能量密度高、大倍率充电和低温性能良好等优点,但在循环和安全方面,磷酸铁锂电池则明显更胜一筹。随着应用端对电池安全性和能量密度的需求不断提升,动力电池关键技术的发展,特别是针对电池体系的革新,已成为衡量各大动力电池企业核心竞争力的核心指标。

  提升电池技术的两种路径

  安全性是各种高性能技术应用的前提,在此逻辑下,一种发展路线是,立足于材料安全系数更高的磷酸铁锂体系,利用引入硅碳负极甚至锂负极,解决能量密度的短板,实现由现在的190~200 Wh/kg(软包体系)到230~260 Wh/kg的提升。另一种路线则是,瞄准能量密度更具优势的三元体系,着重解决正极材料热稳定性变差带来的安全风险,通过引入固态电解质相关的安全技术发展半固态电池,在保证安全应用的前提下,可兼容比容量更高的高镍正极和硅碳负极,将能量密度从当前的260~280Wh/kg进一步提升至350~360Wh/kg,为日益增长的能量密度和安全性矛盾提供及时有效的解决之道;而着眼于电池本征安全的下一代全固态电池技术,则有望将活性更高的正负极体系(包括富锂锰基正极,金属锂负极和无锂负极等)应用成为可能,并催生电池体系的变革,将能量密度、安全性以及成本控制等关键指标推升至一个新高度。

  磷酸铁锂和三元锂离子电池的“突围之路”

  材料科学是电池技术革新的本源,而硅负极和预锂等新材料和新技术将是磷酸铁锂和三元电池的“突围之路”。

  1. 硅负极:产业化应用前夕

  硅负极具有较大的理论比容量(4200mAh/g),比石墨类负极材料的比容量(372mAh/g)高一个数量级,对电池的能量密度有积极的提升作用,但存在膨胀较大、导电率较低和循环性能差等问题。

  为解决硅材料存在的问题,一方面从硅材料本身入手,通过材料纳米化及结构设计,如核壳结构、空心硅结果、纳米线等,可减少材料本身的绝对体积膨胀,同时可将硅材料与碳材料复合改性,兼容两者优势,大幅度提升循环性能,提高其在锂电池中的实用性。另一方面,通过开发新型电解液,优化锂盐与溶剂配方比例,在硅基负极表面形成高界面能、高弹性SEI膜,可减少硅材料膨胀带来的不利影响。

  为满足近中期能量密度提升的迫切需求,负极方面针对硅材料的开发和应用导入已成为行业共识,通过本体改性、粘结剂和电解液匹配以实现电芯的膨胀降低和循环提升,弹性、自适应模组等新型结构技术也将推动硅负极的产业化。

  2. 预锂:兵家必争的技术高地

  相比于石墨负极,硅负极的引入加剧了用于SEI成膜的正极脱嵌锂离子消耗,导致首次库伦效率降低,电池有效容量难以发挥,同时后续充放电过程中的锂离子持续消耗,又进一步导致循环性能恶化,因此,通过预锂以阶段性突破电池实际容量和长循环性能瓶颈,一直是研究的热点。

  近几年,针对预锂的开发俨然成为大型电池企业的技术必争之地,预计明年一些主流电池企业将竞相发布各自的预锂“黑科技”,引领新一代动力电池产品升级。

  安全铁锂的高比能演绎

  磷酸铁锂LiFePO4材料在1997年被Goodenough教授发现并用作正极材料,凭借较好的热稳定性、低廉的原材料成本、较好的电压平台和理论克容量被业内广泛关注。但能量密度问题仍然是铁锂电池的应用短板,铁锂材料的理论克容量只有170mAh/g,目前商用成熟的石墨负极材料的理论克容量也只有372mAh/g,两者限制了在不引入其他新技术的情况下,可商用的铁锂石墨体系电芯的能量密度大概处于180-210Wh/kg。在引入硅负极及预锂化技术之后,铁锂电池有望将能量密度进一步提升至230-260Wh/kg。国轩高科在2020年推出了210Wh/kg铁锂软包电池,并于2021年底实现量产。2021年进一步解决了铁锂高硅体系的循环问题,小试铁锂电芯单体能量密度达到230Wh/kg,可以在近两年实现自研补锂工艺的产业化,实现电芯量产。同时布局的铁锂配锂金属半固态铁锂,可以进一步将单体能量密度突破到260Wh/kg以上。随着铁锂电池的能量密度不断提升,与三元电池差距将进一步缩小,依靠高安全和低成本的优势,高能量密度铁锂电芯在乘用车和储能领域将得到更广泛应用。

  半固态电池:能量密度和安全性的高效平衡

  三元层状氧化物正极材料(LiNi1-x-yCoxMnyO2,NCM)具有比容量高、倍率性能好等特点,可以满足目前动力电池长续航的需求。三元正极的热稳定性差,且随着克容量要求提升,Ni含量进一步增加,其自身稳定性大幅度下降,正极材料分解、与电解液副反应等因素叠加,会加快电池内部热量不断积累,液态有机电解液组分在高温下被点燃,最终导致电池发生热失控。因此,若在液态电池中引入不可燃的固态电解质技术,促进高镍正极、凝胶电解质等一系列半固态相关共性技术发展,成为可兼顾“性能”和“安全”的普遍共识。

  目前,一些主流电池企业正在加紧半固态电池的应用开发,为电动汽车突破800~1000km的续航提供真正的产业化技术支撑。国轩高科密集布局半固态电池核心技术,已于近日正式获得国内中高端整车企业的商务定点,在高安全三元的实用化之路上迈出坚实一步。

  向固态电池进发:锂金属负极的产业化之路

  在已知的负极材料中,金属锂(Li)具有最高的理论比容量(3860mAh/g)、低的密度(0.59g/cm3)和最负的电极电位(-3.045Vvs.标准氢电极SHE),是最有前景的锂二次电池负极材料。然而,锂金属负极面临安全和循环两个巨大挑战,根本原因在于其高化学反应性和高体积变化。固态电解质(SSE) 可以从根本上改变锂沉积的行为,有望成为锂金属负极问题的最终解决方案。为实现这一点,关键在于解决SSE/电极之间的界面问题,目前主要通过构建人工SEI膜和固态电解质成分优化。通过对固态电解质成分优化,可以稳定锂/电解质界面,而不会影响电解质的电导率。

  目前以一批初创企业为代表的电池厂商在全固态电池方面率先迈出了第一步。如美国的初创企业QuantumScape,目前可制作10层叠加的全固态锂电池,但测试过程中需要增加额外的强压力保证界面接触。另一个初创企业Solid Power开发出2Ah硫化物全固态金属锂电池,并计划2025年达到产业化;其全固态硅负极路线则计划在2022年生产100Ah电池,并向宝马和福特提供送测。Solid Energy System (SES)最近报道了迄今为止容量最大的107Ah锂金属电池,但并未公布详细循环性能。尽管实用化之路道阻且长,然而在学术界和产业界的共同努力下,具备本征安全和高能量密度特性的全固态电池将有望在2025~2030年迎来真正的产业化应用。

  结 语

  在现阶段,仍无法用一种电池体系满足人们对动力电池在安全、能量密度、循环和成本等关键指标的所有需求。然而,从安全铁锂的高比能演绎,到半固态电池实现安全与能量密度的高效平衡,催生出处于应用前夕的硅负极和“兵家必争”的预锂黑科技,直至全固态电池引领下一代电池的革新,不同路线大显身手、各显神通,未尝不是行业之幸,时代之荣!

  可以预见,电池体系的迭代升级乃至更新换代,将始终为整个新能源产业的发展奠定稳定的基石,通过技术的无尽想象引领行业发展。

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