電動汽車因存在續(xù)航里程短、成本高等問題，許多潛在消費(fèi)者對其望而卻步。
鋰離子動力電池能量密度已成為其產(chǎn)業(yè)化瓶頸，為此美、日、韓等國都制定了相關(guān)產(chǎn)業(yè)政策，其目標(biāo)均指向“2020年能量密度達(dá)300Wh/kg”。
日前，在國家重點(diǎn)專項(xiàng)支持下，寧德時(shí)代新能源科技股份有限公司研發(fā)團(tuán)隊(duì)攻克高鎳三元材料及硅碳負(fù)極材料等關(guān)鍵核心技術(shù)，率先開發(fā)出比能量(質(zhì)量能量密度)達(dá)304Wh/kg的電池樣品，在這一國際競賽中折桂。
補(bǔ)齊正極材料短板
鋰離子動力電池是目前應(yīng)用最為廣泛的新能源汽車動力電池，是新能源汽車的核心部分。其優(yōu)勢在于能量密度高、循環(huán)壽命長，其技術(shù)難點(diǎn)在于穩(wěn)定性和安全性要求高、制備過程復(fù)雜，該核心生產(chǎn)技術(shù)一直掌握在世界少數(shù)幾個國家手中。
電池的能量密度，是指電池平均單位體積或質(zhì)量所釋放出的電能。“目前能量密度的提升，成為制約鋰離子電池發(fā)展的最大瓶頸，面臨著諸多世界級難題。”寧德時(shí)代首席科學(xué)家吳凱說，電池廠家可通過增大電池尺寸來達(dá)到電量擴(kuò)容的效果，但電芯“變胖”或者“長個兒”只治標(biāo)，并不治本。
究竟是什么限制了鋰電池的能量密度?
吳凱介紹，電池背后的化學(xué)體系是主要原因。一般而言，鋰電池的四個部分非常關(guān)鍵：正極、負(fù)極、電解質(zhì)、膈膜。其中正負(fù)極是發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的地方。
由于目前負(fù)極材料的能量密度遠(yuǎn)大于正極，正極材料就成為了“木桶的短板”——鋰離子電池的能量密度下限取決于正極材料，所以提高能量密度就要不斷升級正極材料。但是，我國高鎳材料開發(fā)起步晚，技術(shù)積累較為薄弱，制備工藝及裝備條件較為落后。
“批量穩(wěn)定供應(yīng)高性能的高鎳正極材料，是高比能量動力電池開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)之一。”吳凱說，為此，寧德時(shí)代依托國家工程研究中心、福建省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等重大科研平臺，通過與產(chǎn)業(yè)鏈上下游合作單位的協(xié)同開發(fā)，優(yōu)化原材料合成工藝條件，提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，調(diào)整微觀結(jié)構(gòu)、控制材料形貌和尺寸分布，逐步實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)高鎳材料的規(guī)模化生產(chǎn)及應(yīng)用。
與日韓競爭對手的同類材料相比，目前國產(chǎn)高鎳材料具備可逆容量高、壓實(shí)密度高、表面及體相結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定的特點(diǎn)，將打破日韓技術(shù)壟斷，提升國內(nèi)產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)水平及國產(chǎn)動力電池核心競爭力，打掉創(chuàng)新路上的“第一只攔路虎”。
顛覆傳統(tǒng)，解決負(fù)極材料的硬傷
負(fù)極材料也是鋰離子電池的核心材料之一，目前大多采用石墨作為負(fù)極材料。隨著對續(xù)航里程需求的持續(xù)升級，傳統(tǒng)石墨負(fù)極已不能滿足市場對電池能量密度的期望。
據(jù)測算，硅基負(fù)極材料的比容量可達(dá)石墨負(fù)極的10倍，被看作是后者的“替代者”。傳統(tǒng)硅基材料的應(yīng)用，主要采用碳包覆技術(shù)，即在硅材料表面復(fù)合一層碳材料。吳凱介紹，但由于硅材料充放電過程中體積變化高達(dá)300%，多次循環(huán)后表面包覆的碳材料會破碎、脫落，對硅材料的保護(hù)作用大幅減弱，從而導(dǎo)致電池循環(huán)性能不佳。
這一世界級難題如“幽靈”一般困擾產(chǎn)業(yè)界10來年之久。
寧德時(shí)代摒棄了傳統(tǒng)碳包覆技術(shù)，轉(zhuǎn)向研究人造電解質(zhì)界面膜包覆技術(shù)。歷時(shí)2年多，將這一技術(shù)應(yīng)用到硅材料制備，開發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的新型人造電解質(zhì)界面膜包覆的硅碳復(fù)合負(fù)極材料，其循環(huán)性能表現(xiàn)顯著優(yōu)于國外產(chǎn)品，打掉創(chuàng)新路上的“第二只攔路虎”。
“與碳材料相比，人造電解質(zhì)界面膜與硅材料的結(jié)合作用力更強(qiáng)、彈性更好、不易破碎或粉化，對硅材料起到很好的保護(hù)作用，因此能夠在循環(huán)中大幅提高硅材料的界面穩(wěn)定性，從而提升電池的循環(huán)壽命。”吳凱說，此舉將促進(jìn)我國充分掌握材料改性、前驅(qū)體合成等多方面的核心技術(shù)，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵材料技術(shù)的國產(chǎn)化，為硅碳復(fù)合負(fù)極的逐步商業(yè)化推廣應(yīng)用提供了重要保障。
完美“瘦身”，率先使用航空級別的“7系鋁”
在能耗不變，體積和重量都受限的情況下，新能源汽車?yán)m(xù)航里程，主要取決于電池包的能量密度。
“這就考驗(yàn)研究人員為電池包‘瘦身’的能力。”吳凱說，寧德時(shí)代首次將航空級別的“7系鋁”運(yùn)用至電池包下箱體。“7系鋁”，鋁中的“戰(zhàn)斗鋁”，常被用于制造飛機(jī)起落架，具備輕盈、堅(jiān)固、安全等特性。
吳凱告訴記者，“7系鋁”應(yīng)用也具有很多風(fēng)險(xiǎn)，特別是應(yīng)力腐蝕現(xiàn)象(金屬材料在某些特定的介質(zhì)中，由于腐蝕介質(zhì)和應(yīng)力的共同作用而發(fā)生斷裂)。
“業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為這是‘7系鋁’的技術(shù)難點(diǎn)，甚至是技術(shù)禁區(qū)。”吳凱說，為此，他們通過上百項(xiàng)的實(shí)驗(yàn)及相關(guān)工藝改善，使得應(yīng)力腐蝕指數(shù)控制在行業(yè)內(nèi)最高水平。目前，寧德時(shí)代已成功開發(fā)出“7系鋁”下箱體，并已量產(chǎn)。
至此，該企業(yè)電池包下箱體輕量化設(shè)計(jì)已處于世界領(lǐng)先水平。這一全新能量密度的動力電池，能使B級純電動轎車電池倉在現(xiàn)有基礎(chǔ)上，不額外增加空間，載能量(裝載電池的總電量)即可提升約50%;車載動力電池系統(tǒng)能量提高50%;整車重量可在現(xiàn)有基礎(chǔ)上減重250公斤，使該車型標(biāo)準(zhǔn)工況續(xù)駛里程提高到600公里以上。
