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[云晟锂电]锂电池最新技术介绍

目录:电池技术发布时间:2021-07-17 16:55:47点击率:

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电动汽车发展如火如荼,动力电池作为最重要的部分之一,它的发展对电动车的续航和安全有着决定性的作用。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安全性。在这篇文章中,小编带你来梳理下与之相关的技术路径。


提升能量密度和安全性的路径


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持久呢?最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,安全性始终是重中之重。为了提高电池能量密度和安全性,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。


1 如何让食物本身的热量更高?——电芯能量密度提升


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。


正极—镍55单晶材料


近期蔚来发布的100kWh电池包,也就是宁德时代此前宣布的“只冒烟不起火”电池,在不改变电池包外壳尺寸和几乎不增重的前提下,能量密度提升37%,大幅增加了续航里程。新款电池采用的镍55三元电芯,是能量密度提升的重要因素。它的正极材料是一种高电压的单晶材料。什么是单晶?回答这个问题前,我们先看看正极材料的技术方向。


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,但安全性降低。


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(重点来啦)。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,大幅提升了电池安全性。

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领先水平降高出30-40%,最高可实现约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安全。


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。但是硅氧会存在首次效率低,需要补锂的问题。液态锂离子电池首次充放电过程中,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,从而弥补首次充放电或者循环过程中由于形成或修复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,嵌入到负极中补充首次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高端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公布了其最新固态电池的消息,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。


在提高电池能量密度的同时,电池的安全性是不得不考虑的问题。从根本上消除锂离子电池的安全隐患仍在于电池材料安全性的提高。但对于正极材料,这两方面是矛盾的。比如,前面已经讲到,提高镍含量能够提高能量密度,但是镍含量提高意味着安全性降低.有什么办法从别的方面加强电池的安全性,从而更放心的提升能量密度呢?这时候就要从电解质角度考虑了。大量研究表明,液态电解质参与了电池热失控过程的大部分反应,并极大降低了电池的初始反应温度,也就是让热失控的门槛变得更低。所以提髙电解质安全性是实现电池安全的最有效方法之一[3]。液态电解质的物理特性决定了其始终无法避免泄露,同时也不利于缩小电池体积从而提髙能量密度,因此为了提高能量密度和安全性,电解质的固态化就成了趋勢。我们把电极和电解质均为固态的电池称为固态电池。固态电池电芯内部不含液体不仅安全性更高,还可实现先串并联后组装,减少了封装壳体用料,PACK设计大幅简化,这也提高了电池成组后的能量密度。

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最为重要,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,蜂巢能源率先发布果冻电池,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更好的贴合,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:


一般电池不仅最外部有电池包,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。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。


结语


通过以上的介绍,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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