桑頓新能源苗力孝：從材料、電芯設計、PACK管理角度解決電池怕冷的焦慮
桑頓新能源科技有限公司研發(fā)部總經(jīng)理苗力孝作主題演講
11月17日，“2017’第二屆動(dòng)力電池應用國際峰會(huì )暨第三屆中國電池行業(yè)智能制造研討會(huì )”繼續在北京精彩召開(kāi)。本屆峰會(huì )由中國化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會(huì )和電池中國網(wǎng)共同主辦，天津力神電池股份有限公司聯(lián)合主辦；中國化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會(huì )動(dòng)力電池應用分會(huì )承辦，無(wú)錫先導智能裝備股份有限公司聯(lián)合承辦。參加此次峰會(huì )人數超600人。
在動(dòng)力電池技術(shù)創(chuàng )新分論壇上，桑頓新能源科技有限公司研發(fā)部總經(jīng)理苗力孝作主題演講，從材料修飾、電芯設計、PACK工藝等方面介紹了如何解決電池低溫問(wèn)題的研究進(jìn)展。
以下為苗力孝演講內容：
大家上午好！我今天代表桑頓新能源公司來(lái)給大家做一個(gè)電池低溫技術(shù)研究進(jìn)展的報告。低溫對電池各項性能的影響都是非常大的，在前面其他公司負責人對電池的一些其他方面研究都進(jìn)行了介紹，下面我講一下如何通過(guò)材料修飾、電芯設計、PACK工藝等制造技術(shù)來(lái)解決電池的低溫問(wèn)題。
首先我介紹一下桑德集團，桑德集團是國內領(lǐng)先的生態(tài)型環(huán)境與新能源綜合服務(wù)商，他有24年的歷史，目前在國內有1400余家下屬企業(yè)，品牌價(jià)值達152億?，F有兩家控股參股上市公司，員工6萬(wàn)余人，為我國的在環(huán)境領(lǐng)域對廢水處理、固廢垃圾的處理做出了非常大的貢獻，其中固廢垃圾每日的處理量就達6萬(wàn)噸，所以在固體廢物回收領(lǐng)域具有得天獨厚的經(jīng)驗和基礎。在新能源行業(yè)我們知道電池在使用完后是需要進(jìn)行回收的，而桑德對電池廢固的回收是具有強大的實(shí)力和基礎。
我再介紹一下桑頓新能源公司，桑頓新能源公司是桑德集團下屬的一個(gè)新能源公司，成立于2011年，注冊資金25.5億。公司專(zhuān)注于鋰離子動(dòng)力電池、儲能電池及關(guān)鍵材料的研發(fā)與生產(chǎn)。公司具有完整的鋰電產(chǎn)業(yè)鏈。從前軀體到原材料再到單體電芯，PACK以及還有最后的電池回收等整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈。公司位于湖南湘潭，占地面積是三千畝地，第三期目前已經(jīng)建成，預計在明年3月份，電芯產(chǎn)能將達到8G瓦時(shí)。這個(gè)表格列的數據是桑頓目前新電源電芯研發(fā)的技術(shù)水平，目前我們實(shí)現量產(chǎn)的三元材料電芯能量密度為220瓦時(shí)每公斤，電芯循環(huán)壽命為兩千次以上。好的我現在介紹一下電池的低溫技術(shù)。
我們都知道鋰離子電池應用范圍非常廣泛，特別在新能源汽車(chē)方面，但是我們國家地域非常遼闊，北方溫度在冬天會(huì )下降到零度以下，東北一些地方零下20以下都是經(jīng)常發(fā)生的，低溫會(huì )導致新能源汽車(chē)的行駛里程大大縮短，對電池的低溫技術(shù)，我們公司也需要作出一些解決方案。低溫通常會(huì )給電池帶來(lái)四個(gè)直接的問(wèn)題，第一個(gè)，由于溫度過(guò)低的時(shí)候，電解液的粘度會(huì )增加，第二SEI膜內鋰離子傳遞阻抗會(huì )增加，第三鋰離正極材料內部離子傳遞的速度也會(huì )變得困難，還有一個(gè)非常嚴重的問(wèn)題，負極的析鋰問(wèn)題，這些都是低溫對電池造成的問(wèn)題。我們國家幅員遼闊，從長(cháng)江以北以南兩個(gè)地方溫差比較大，在北方使用純電動(dòng)汽車(chē)由于氣溫的降低導致電池的容量無(wú)法正常發(fā)揮，使得電動(dòng)汽車(chē)在實(shí)際應用過(guò)程中里程明顯縮水，電池的壽命顯著(zhù)縮短。例如在北京氣溫變化很大，冬天的北京溫度變化幅度非常大，最冷時(shí)可到零下20度，對電動(dòng)汽車(chē)的電池的考驗非常嚴峻。因此，解決電池的低溫問(wèn)題，對電動(dòng)汽車(chē)的應用特別是在北方地區是非常重要的。
再一個(gè)低溫給電池帶來(lái)的問(wèn)題是充電的時(shí)間延長(cháng)，電池在低溫下充電的時(shí)候容易導致析鋰，所以電池充電之前，一般要對電池進(jìn)行緩慢加熱，等電池溫度升高的正常溫度以后才開(kāi)始充電。
通常解決電池低溫是從材料修飾、電芯設計及Pack制造三方面進(jìn)行系統改良，就可以提高現有鋰離子電池的低溫充電性能和循環(huán)壽命。目前汽車(chē)動(dòng)力電池常見(jiàn)的正極材料以三元材料和磷酸鐵鋰為主，可通過(guò)減小粒徑，采用納米技術(shù)使得材料的一次顆粒納米化，從而縮短鋰離子的遷移路徑；磷酸鐵鋰可以通過(guò)摻雜La、Mg，增大c軸，改變層間距增大鋰離子傳輸通道；在三元NCM表面包覆LBO-S快離子導體以減少SEI的形成，使得鋰離子的傳輸直接可以通過(guò)快離子導體進(jìn)出材料本體。。
對于負極材料，目前常用的石墨負極材料在低溫時(shí)的嵌鋰阻抗明顯大于正極脫鋰阻抗，導致鋰離子可以在低溫下相對快速的從正極脫嵌，卻無(wú)法及時(shí)嵌入到負極當中，從而很容易在負極表面堆積引發(fā)析鋰?，F有石墨負極材料可通過(guò)包覆、表面氧化、摻雜或包覆其它元素，一方面增加石墨層間距，另一方面加快鋰離子在負極表面的去溶劑化速度，從而改善鋰離子嵌入石墨負極的速度。另外開(kāi)發(fā)新型的負極材料，例如目前已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化的LTO材料，還有一些鋰合金材料、錫基負極材料，這些材料本身具備很好的低溫性能，一旦可形成商業(yè)化產(chǎn)品也會(huì )大大的改善鋰離子電池的低溫性能。
前面改善了負極，后面也有對正極材料的一些輔材，顆粒之間的孔隙，我們通過(guò)導電碳的添加，能夠改善電池顆粒之間的電子導電性。但對孔隙粒的填充，還要考慮到電解液的晶潤，我們在制作極片時(shí)，既要考慮到電子導電性，也要考慮它的離子導電性，孔隙率的控制是在正極材料里面也是一個(gè)很關(guān)鍵的值。
另外還有導電劑的選擇，顆粒狀導電劑有乙炔黑、石墨，纖維狀導電劑，CNT，可以在電極中構建良好的導電網(wǎng)絡(luò )，減少電池的極化，有助于提高電池的低溫性能，延長(cháng)電池的壽命。片狀導電劑，如新型的石墨烯導電材料，具有超高的導電性、導熱性、穩定性，可以顯著(zhù)改善低溫性能，添加量的控制是關(guān)鍵，添加量過(guò)高反而會(huì )阻礙鋰離子的傳輸增加電池內阻。再一個(gè)就是粘合劑，我們常用的粘合劑基本是不導電的，未來(lái)要開(kāi)發(fā)能夠傳導鋰離子的一些粘合劑。
前面講了正極，負極，下面講下電解液，電解液主要分為鋰鹽、溶劑和添加劑這三部分，通過(guò)對這三大類(lèi)進(jìn)行有效的改進(jìn)，能夠很好的提高電解液的低溫性能。特別是鋰鹽，添加一些硼酸鹽有助于在材料表面形成一個(gè)比較好的穩定的SEI膜，有利于鋰離子的擴散。再一個(gè)就是溶劑，溶劑有很多類(lèi)，不同的溶劑有不同的優(yōu)缺點(diǎn)，通過(guò)配置一個(gè)合理的比例，能夠改善電解液溶劑的低溫性能。
其次一個(gè)就是添加劑，我們知道做鋰離子電池，每個(gè)公司都有它一些保密的配方。其中最主要的一個(gè)就是核心添加劑的種類(lèi)和添加量，通過(guò)添加不同的添加劑，可以對電池的低溫性能起到非常明顯的改善。
最后還有相變材料，相變材料的使用方式分為兩種，一個(gè)是直接在極片制作過(guò)程中添加進(jìn)去，另一個(gè)是在電池的外表面，通過(guò)它相變在電池發(fā)熱的時(shí)候吸熱，電池在溫度低的時(shí)候，再把熱量放出來(lái)，一個(gè)很簡(jiǎn)單的原理。相變材料的種類(lèi)目前可以分為一個(gè)固液相變，還有固固相變；固液相不能添加在電池材料里面，可能會(huì )和正負極發(fā)生反應，它適合在單體電池做管理系統的一些熱量交換。固固相變材料就可以加入到正負極材料里面，在材料里面使得材料之間的溫度變化更加均勻。相變材料也是最近這幾年受到大家的重視，目前還不是很成熟。
還有一個(gè)新的理念，叫全氣候電池，我們知道我們國家冬奧會(huì )要開(kāi)，在冬天如何使這個(gè)電池能夠快速的加熱，我們現在一般是通過(guò)外部的加熱片，對電池進(jìn)行一個(gè)緩慢的升溫。這是發(fā)表在自然上的一篇文章，他有一個(gè)新的概念，叫自加熱電池，我們以前設計方案就是把各種加熱片加熱膜貼在電芯的外殼，這個(gè)自加熱電池了，它的思路是把加熱片嵌入到電芯里面，非常簡(jiǎn)單的一個(gè)想法。類(lèi)似于我們燒開(kāi)水一樣，我們以前是在用熱水壺燒，現在他相當于用了一個(gè)熱得快，直接從電池的內部進(jìn)行加熱。在正負極片之間加入了加熱片，通過(guò)開(kāi)關(guān)電路控制，實(shí)現對電池的加熱。從內部對電池的加熱的速度是非?？斓?，一般可以在幾十秒內使電池的溫度升到常溫，然后就可以進(jìn)行充放電了。內加熱的效率要遠遠高于外部加熱，并且能耗更低，比現有電池表現出來(lái)更好的低能性能。在續航能力、充電時(shí)間以及使用壽命實(shí)現大幅改善。全氣候電池較18650電池提高零度下續航里程110%，在零下30度實(shí)現15分鐘快速充電，充電速度是現有電池的11.4倍，，并且電池的循環(huán)壽命較現有電池延長(cháng)40倍。
解決電池低溫問(wèn)題的最后一個(gè)技術(shù)路線(xiàn)是設計合理的PACK熱管理系統。Pack設計改善方案由隔熱保溫層、電加熱片、液冷熱管理3個(gè)部分構成?？梢酝ㄟ^(guò)更加合理的PACK熱管理設計，貼加熱膜和選用導熱系數更低、成本更低廉、質(zhì)量更輕的新材料對電池外面進(jìn)行加熱保溫可實(shí)現低溫下電池正常工作，但在夏天高溫時(shí)又不利于電池的散熱，因此相比固體隔熱加熱裝置，利用惰性液體對電池進(jìn)行熱管理，可更靈活的控制電池溫度，例如國內外的典型產(chǎn)品如寶馬i3、特斯拉、通用沃藍達（Volt）、華晨寶馬之諾、吉利帝豪EV等，都采用的是液冷系統。目前該方案對電池的熱管理效果較明顯，但復雜程度高、成本高、致冷液易泄露等問(wèn)題還尚需要進(jìn)一步的完善解決。
最后總結一下，要通過(guò)材料修飾、電芯設計、Pack設計三個(gè)方面，系統的進(jìn)行改進(jìn)以改善電池的低溫性能，最后使得電池在低溫下能夠完全發(fā)揮出正常的容量。我的報告就到這里，謝謝大家。
?。ǜ鶕l(fā)言整理，已經(jīng)本人審閱）
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