當升科技陳彥彬：新能源汽車(chē)各工況下對正極材料穩定性的研究
5月21日下午，由中國化學(xué)與物理行業(yè)協(xié)會(huì )動(dòng)力電池應用分會(huì )、電池中國網(wǎng)聯(lián)合主辦，東莞塔菲爾新能源科技有限公司重點(diǎn)支持的“Li+學(xué)社·成就鋰享 智信未來(lái)（2018）系列電池技術(shù)沙龍”第三期：“應用極限-動(dòng)力電池全生命周期研究”在深圳舉辦。
北京當升材料科技股份有限公司副總經(jīng)理陳彥彬先生做出了題為：《新能源汽車(chē)各工況下對正極材料穩定性的研究
》課題報告。
陳彥彬：各位下午好，這次接到張總的邀請，關(guān)于全生命周期。其實(shí)我原來(lái)也稀里糊涂的就是要做長(cháng)壽命的東西，和全生命周期掛鉤，所以這次來(lái)交流一下，也是學(xué)習的機會(huì )。
首先，簡(jiǎn)單匯報一下公司的變化。我們這幾年動(dòng)力電池正極材料產(chǎn)能一年達到19000噸，主要基地有兩個(gè)，今年上半年融資15個(gè)億，下一步還會(huì )擴建。
我們主要的精力放在三元材料，中國在高倍率的鈷酸鋰可能60%是無(wú)人機。我們從523、622一直到811。
2016年、2017年三元材料出口肯定是第一的，一家占40%。這是我們國際客戶(hù)和配套的主要車(chē)型。
再講一下全生命周期的挑戰和對策。原來(lái)講全生命周期主要在車(chē)上，電動(dòng)車(chē)上用的10年或者12萬(wàn)公里，容量、輸出、壽命包括鼓脹方方面面要達到一定的要求。從廣義的來(lái)講，電池生命太高，必須要經(jīng)過(guò)儲能的梯次利用，也有一定的廣義應用。電池二次利用時(shí)的剩余價(jià)值。車(chē)跑個(gè)8年、10年，應該還行。但如果要把梯次利用想發(fā)揮剩余價(jià)值，還是有很大的挑戰。這里面主要是從車(chē)上退下來(lái)之后，電池健康度的狀況到底是什么狀況。它的不確定性會(huì )比新電池要大得多。
像我們說(shuō)電池健康度怎么管理的問(wèn)題。人的健康怎么管理，上中學(xué)時(shí)體檢可能查查視力、肺活量。到40歲、50歲，現在體檢的項目很多，體檢一次幾千塊錢(qián)。體能、爆發(fā)力、視力、聽(tīng)力、肺活量、骨密度、骨齡、心血管年齡/臟器生理年齡等等很多東西。但動(dòng)力電池，將來(lái)在梯次利用里也會(huì )有很多問(wèn)題。我看主要集中在容量和內阻，我覺(jué)得光檢查這兩項可能還遠遠不夠。應該有更全面的管理，比如電池的散熱情況，老舊電池，散熱量會(huì )更差，一致性會(huì )變得更差。這應該比我們管理車(chē)用這一段，年輕軍組成部分。到ESST利用（音），相當于退休的老干部，關(guān)于健康度的管理，難度要大得多，要復雜的多。常規的拿壽命為利，一個(gè)失效的模式，最理想的是非常平滑的線(xiàn)。比如我順利的度過(guò)EV的80%，再ESS再衰減80%。但梯次是不太好的情況，第二階段內阻增大非常大，容量在充放電時(shí)晝夜變化波動(dòng)非常大，內阻增加比較大，放大溫度效應，最大的變化是突然失效。比如我畫(huà)的幾種概念性的狀況，這是拋磚引玉。
現在高能量密度高了，壽命可以短一點(diǎn)。原來(lái)的要求是2000次，12年。假如說(shuō)儲能上再用2000次，就還得20年，時(shí)間太長(cháng)了，30年的電池壽命可能抗不住。綜合考慮，因為我沒(méi)有看到數據，就大膽提出。如果要滿(mǎn)足這兩個(gè)周期，電池的壽命怎么著(zhù)也要3000次以上的壽命，Cycles要達到20年，汽車(chē)10年、儲能10年。車(chē)用時(shí)縮減20%，儲能再縮減20%，就是60%。當然這是一個(gè)最低的要求?，F在的標準包括設計目標都是4000次80%，一次一充放電。在這個(gè)過(guò)程中，除了常溫壽命還有高溫壽命、高溫存儲、DCIR的變化，安全性、一致性等方面，都是我們盡量做到最優(yōu)化。
另外動(dòng)力電池面臨能量密度提升的目標。原來(lái)老生常談，朝622、811甚至未來(lái)還要超過(guò)90，這都是有可能的。這當時(shí)是為了提高能量密度?，F在巨大一個(gè)推動(dòng)力是鈷價(jià)上漲，如果用811就比622少了一半。容量高反而成本還有優(yōu)勢。尤其是原裝電池，能用811的一定不會(huì )用622、523。另外是做高電壓。比如523，國內可以做到220瓦，再加點(diǎn)其他低成本的材料能做到210瓦。這個(gè)電池2018年已經(jīng)量產(chǎn)了，而且壽命還非常好的。最后一點(diǎn)，做高能量密度的，從材料的角度做高密度材料，才能做高密度電極。
電池材料的壽命衰減，常規的原理都是類(lèi)似的，只不過(guò)對三元材料來(lái)講，有一個(gè)特殊的地方，它是一個(gè)團聚體，團聚體充放過(guò)程中會(huì )散掉。散掉之后里面會(huì )有孤島，有接觸問(wèn)題，甚至會(huì )形成新的界面。由于粉化帶來(lái)的一系列問(wèn)題。
我們有一些做法，第一，想辦法不讓它粉化，甚至不粉化。第二，總是有一些材料粉化。高倍率的材料很小，肯定強度差。但我也不怕它粉化。比如鋼化，短時(shí)間就會(huì )氧化。但如果做成不銹鋼粉，就又不氧化了。這個(gè)材料即使粉化也不怕，相對來(lái)講穩定性更高。球越小，顆粒強度越差，很容易壓碎，壓碎之后會(huì )變得更碎。這樣會(huì )帶來(lái)壽命衰減的問(wèn)題。當然，應對它的辦法，第一個(gè)是做成單晶，就不容易損壞，所以單晶材料后續發(fā)展的勢頭應該很猛，應該是非常有特點(diǎn)的地方。有些地方可以選擇單晶，有它的問(wèn)題是小顆粒生產(chǎn)成本高。能不用單晶也可以不用，但有些地方單晶確實(shí)有優(yōu)勢。5SC、6SC、8SC就是一系列單晶材料，性能更好。另外紅色的，分解溫度更高（見(jiàn)PPT），縱坐標是功率，火苗小。燒的時(shí)間短，火苗還小，所以危險性小了很多。另外一個(gè)，沿著(zhù)原來(lái)團聚性的做法，做的材料呈現徑向發(fā)射的結構，抗壓和抗粉化的能力就強很多。不管是做徑向發(fā)熱的或者單晶性的前驅體就非常重要。當升這些年能發(fā)展得比較扎實(shí)的重要原因，我們一開(kāi)始在做鈷酸鋰的前驅體。我們有一些理解。最右邊的是小顆粒（見(jiàn)PPT），比如5微米以下，要做高功率的材料，只能用小顆粒，但小顆粒成球的難度就很大。小顆粒小到5微米，大顆粒大到20微米都可以做。市場(chǎng)上一般是10微米左右，因為10微米最容易做。高功率的材料需要小顆粒，10微米是常規的。做單晶的前聚體更特殊。
另外是摻雜改性，一摻壽命就大幅度改善，但容量大幅度降低。能不能少摻點(diǎn)，壽命不降低。隨著(zhù)高鎳化材料的應用，維度會(huì )越來(lái)越低，摻雜，越來(lái)越低的溫度燒時(shí)，可能燒不進(jìn)去，那就是常規的摻雜方法不行，在前驅體就摻進(jìn)去。為什么說(shuō)韓國做NCA（音），前驅體不是。韓國人做NCA，是NC，沒(méi)有鋁，有鋁就做不進(jìn)去，燒時(shí)再加鋁。這種，性能上就會(huì )有問(wèn)題。
還有包覆，在顆粒的表面進(jìn)行處理，這是多元素的包覆。有些元素效果很好，改善作用很強，但覆蓋度不夠。有些元素可能拓展性很強，覆蓋度很好，效果又差一點(diǎn)。像搞中藥一樣，多味中藥藥性要結合，又有覆蓋度又有高的穩定性。
我看國內很多電池企業(yè)，極片，只要極片壓不斷就使勁壓，但把顆粒都壓碎了。本來(lái)包覆的東西，把顆粒壓碎了，那內表面就沒(méi)有包覆。用當升材料，把內表面做成不銹鋼粉，壓碎了也是不銹鋼粉。但最好在工藝設計時(shí)，看怎么樣讓團聚材料（音）盡量少的壓碎，比如增加點(diǎn)石墨或者摻一些單晶材料，起到潤滑。光滑的顆?？隙ɑ饋?lái)更容易，團聚材料就更粗糙一些?，F在有些補貼的指標追著(zhù)沒(méi)辦法做最好的電池。但兩年多過(guò)去，希望做最安全的電池，才能保證企業(yè)安全。從做好產(chǎn)品，做好公司的角度長(cháng)遠設計開(kāi)發(fā)電池技術(shù)。
做正極電池材料，三元材料現在非?；?。前幾年什么電池都能裝到車(chē)上，做充電寶的電池也做到車(chē)上，拿補貼。但品質(zhì)管理、設備裝配穩定性不夠，也是很大的風(fēng)險。
這是江蘇當升工廠(chǎng)的圖片，目前有13000噸的正極材料室，還有一個(gè)在北京。
第三部分，正極材料開(kāi)發(fā)的進(jìn)展。
首先講523，講幾款比較典型的材料。前面兩個(gè)，5YN、5Y3叫數碼電池材料，沒(méi)有包覆，就1500周，電池差一點(diǎn)1000周都不到，裝在物流車(chē)或者低端電動(dòng)車(chē)上。比較好的是后面四款，有摻雜和包覆的?，F在最火的是5E12D，現在孚能、卡耐、捷威（音）都是用我們的材料。北汽的車(chē)型上，很多都是。我們材料基本包圓了，所以買(mǎi)北汽的大膽的買(mǎi)。5E5D是5微米，用在48伏電源里。這款材料，明年用在奔馳的車(chē)上。當然，這是韓國做的電池。也有人把這個(gè)和811摻著(zhù)，摻點(diǎn)這個(gè)有大有小或者選擇某一款摻在811里。第三款，是儲能用的，用在特斯拉，在南澳大利亞很多儲能項目里用。最后一個(gè)5SC是單晶功能材料，用在車(chē)上。在4.2伏下也可以做到210Wh/kg?，F在高電壓下做到240Wh/kg。這個(gè)壽命有做到500周，也有1000多周的。這是高倍率的材料，523，原來(lái)替代333。523才占兩份，鈷含量低，成本有優(yōu)勢，而且容量高了10個(gè)毫安時(shí)，這個(gè)循環(huán)還更好。比較早的數據，這是國內一個(gè)公司測。5C充1C放，800周還有90%的壽命。這是把儲能用在特斯拉的一款材料。
這是5SC單晶材料，密度更高，雜質(zhì)也比較低。我們的密度能做到2.2，原因是單晶化程度更高。但大家會(huì )擔心容量。但實(shí)際上容量可以做得更高一些。倍率會(huì )更好一些。比較一下我們的比同行的都要高一些。
大家一說(shuō)做單晶，很好做，安全性解決不了加一個(gè)助燃劑。這樣電池壽命肯定下降。但當升可以設計專(zhuān)門(mén)的前驅體，稍稍改變一點(diǎn)溫度，也不用加其他，就可以做很好的材料。容量包括倍率都還很好。存儲的性能，60度7天的保持率和恢復率，這和團聚材料有專(zhuān)門(mén)的比較。
622，我們4年前量產(chǎn)了第一代，從178mAh/g，最早用在北汽的車(chē)上。去年和今年推出了第二代，而且是系列化的，有兩三款622，容量達到187，單晶達到186。
這是最早SK（音）測試的，低溫充電、放電都非常好。在這個(gè)基礎上開(kāi)發(fā)了更高容量的。高容量的做法主要是把鎳含量提高，鈷降低。相對標準的622，成本肯定也降低了，容量還提高了5、6個(gè)mAh/g。估計在座的各位有做方型電池和軟包電池。別看811，圓柱可以用在811，方性和軟包能不能跨過(guò)去，如果跨不過(guò)去，就是811摻523。如果把811和523調整容量和這個(gè)對上，成本也差不多。原來(lái)這個(gè)材料是181，這個(gè)能達到187，而且電壓還高。一般說(shuō)鈷含量降低，可能電壓還低。但鎳含量高，容量還高?，F在說(shuō)不清楚。通過(guò)大小顆粒的摻混之后，壽命也可以保持原來(lái)的水準，就是SK的電池可以做到4000次。
電壓，不管是半電池還是全電池看，電壓都比標準的622更高。
我們也有622單晶材料，這也是和同行的單晶材料對比。我們的堿性雜質(zhì)更低，單晶化程度更高，容量也高出6個(gè)mAh/g，電壓也更高。這和剛才的原理類(lèi)似，就是不能靠使勁燒，加鋰，一定會(huì )犧牲性能，壽命就差不多，只是我們容量高。
剛才給大家留了一個(gè)小小的懸念，團聚體材料和單晶型材料，哪一個(gè)更好，單晶型會(huì )不會(huì )容量下降。我們把6E、6E2和6SC做了對比，這都是相對標準的單晶材料。
我們測0.2C，它倆都是標準的622，單晶材料也可以做到這么高的容量，而且單晶材料倍率最好。因為團聚材料充放電膨脹顆粒內部一定有問(wèn)題，團聚肯定是點(diǎn)對點(diǎn)，單晶材料相對比較光滑，可能是面對面的不是點(diǎn)對點(diǎn)的接觸。雖然單晶顆粒比較大，擴散路徑比較長(cháng)，我說(shuō)這個(gè)是高速公路，結晶比較好。團聚體，顆粒小，一膨脹，很多斷頭路，顆粒內部由于界面問(wèn)題還有很多斷點(diǎn)、塌方。單晶材料在倍率上，還是有一些優(yōu)勢，而且關(guān)于導熱性我沒(méi)有看到，但也看到報道，單晶材料密度更高，散熱性也更好，但目前沒(méi)有這方面的數據。
循環(huán)壽命，6E2都是更好的，單晶這是測試的問(wèn)題，在全電池里測試它們壽命差不多，做好應該和團聚體可以達到一樣的壽命。
這是過(guò)程中的平均電壓變化，單晶的、團聚體的。（見(jiàn)PPT）
剛才這是單晶材料的放熱量和放熱溫度，都更有優(yōu)勢。
單晶材料也有它的缺點(diǎn)，就是生產(chǎn)效率比較低。因為小顆粒流動(dòng)性比較差，密度比較蓬松，一條線(xiàn)的產(chǎn)能就會(huì )下降。大家傾向于加工費稍微高一點(diǎn)的材料，最好用高電壓或者再找補回來(lái)一些成本上的問(wèn)題。
811也有三款材料，206mAh/g還有210mAh/g、215mAh/g的。目前的811是鎳83，再往上是鎳88，再往上是鎳928。雖然沒(méi)有標準，但約定俗成有這幾種組成。能看到表面均勻的多元素的包覆。0.1C的容量可以做到206。紅色的材料也有特殊的地方，我們材料在充電的初期，電壓是比較低的。這是大多數材料的特性。在不同倍率下，放電電壓也明顯比競爭材料有一定的優(yōu)勢。這是壽命，常溫壽命、高溫壽命，更好一些。（見(jiàn)PPT）這是循環(huán)DCIR的變化也增長(cháng)更小。
我們自己實(shí)驗室做軟包電池，我們是做評價(jià)的，不是專(zhuān)門(mén)的電池企業(yè)。我們自己做2500周甚至3000周的常溫壽命沒(méi)有問(wèn)題。目前國內有幾家圓柱電池，他們在0.2C的容量達到199，1C190。剛才李總講要軟包，我看軟包發(fā)生容量低一些，具體什么原因一會(huì )兒你可以分享一下。按說(shuō)一般圓柱電池底板比較厚，容量不容易出來(lái)，但現在看到的數據是圓柱電池容量更高。他們圓柱電池的壽命都能做到1500周。523材料，國內做0.5C充0.5C放，可能1000多周。我看到1200周到1500周的數據是很少的，大多數800、900周，這個(gè)能做到1500周。當然，那個(gè)是沒(méi)有包覆的，包覆常溫能做到2000周。軟包電池做到2500周到3000周應該沒(méi)什么問(wèn)題。但軟包電池要技術(shù)成熟，可能還有一個(gè)時(shí)間差，不像圓柱電池這么快。
我們也開(kāi)發(fā)了容量更高的，210mAh/g的材料。這前面是韓國的材料，也是比較有名的材料。同樣，我們的材料電壓輸出特性?xún)茸栊∫恍?。不管是哪一款三元材料，甚至到后?/span>NC都有這樣的特性，循環(huán)壽命都差不多。單晶目前做到中試，估計再有兩個(gè)月就可以量產(chǎn)。811因為市面上還沒(méi)有，我們就和NC做了一個(gè)對比。循環(huán)壽命要比NC好很多。
這里做一個(gè)類(lèi)比，這兩種密度差不多，但單晶的粉末壓實(shí)，明顯要高，另外堿性雜質(zhì)確實(shí)更低。容量可以做到213。但213的原因是我們既然做單晶，肯定不會(huì )做常規的組成，比如鎳含量會(huì )更高一些。
這是壽命（見(jiàn)PPT），NCA我們也在做。產(chǎn)品數據還做得可以，但苦于國內沒(méi)有實(shí)際應用，主要是配合國際客戶(hù)在做一些開(kāi)發(fā)，我們也有205mAh/g，213mAh/g，225mAh/g的。NCA鎳含量做到92，未來(lái)應該沒(méi)什么可做了，811也一樣。
我們8A這塊，是12的，也許現在國內同行有些水平比原來(lái)高的，堿性做得很低，但性能差得有點(diǎn)遠。Ref1.92，那加電解液得加多少。一般的材料不包覆在0.3左右，小顆粒在0.6左右，這個(gè)搞到0.9多，本身安全性差，還要加很多電解液，顆粒強度也大幅下降。我們也比較一下性能，這個(gè)材料整體在容量、倍率上都更好。我們的材料充電電壓和最終放電，還是有明顯的優(yōu)勢。
我們也做了容量更高的，鎳88。但這款對標的是日本的一款材料。最后做出來(lái)的容量，我們高出2mAh/g，也差不多。但這方面的特征依然存在，我們的材料明顯阻抗要小，倍率特性上也能看出。這個(gè)常溫壽命和高溫壽命，差異比較大。（見(jiàn)PPT）
還做了一個(gè)鎳92，更高鎳含量的NCA，它的容量可以做到225，這個(gè)材料的成熟還需要一年甚至更長(cháng)的時(shí)間。但這是因為客戶(hù)需要，不是我們憑空在做。軟包電池可能做不了，但圓柱電池是有可能的。他們的要求是做到225mAh/g。
大家一直在討論到底是用NCA還是811，還有幾個(gè)做軟包電池的說(shuō)NCA的電池安全性怎么比811好這么多。我說(shuō)不可能，后面再說(shuō)為什么不可能。
對標的這個(gè)是8E2、NCA，這是206mAh/g，相當于容量差不多的材料做對比。大家都是10微米左右。鎳含量，811鎳83，NCA是81，鈷含量15%，差了4個(gè)點(diǎn)，現在2萬(wàn)塊錢(qián)左右的差異。第一點(diǎn)，成本是沒(méi)有優(yōu)勢的。這是典型的NCA，你說(shuō)未來(lái)NCA做到88，做到88得增加7個(gè)，減少幾個(gè)。比如88、93，那時(shí)候可能和811和88、93成本上可以PK。但這種高鈷常規的811、NCA成本上是沒(méi)法PK的。
0.1C的容量差不多，但1C的容量，183。如果你的客戶(hù)，像中國的國家標準計算密度按1C來(lái)算，那它就低多了。鈷含量還高，貴2萬(wàn)塊錢(qián)容量還這么低，電壓還低。國內我了解的大部分用NC，部分做充電寶的用到NCA。這是大家為什么選擇811的原因。保持密度差不多，但容量低那么多的情況下，還一樣，那肯定不占什么優(yōu)勢。安全性只差了幾度，811是218、212，差不多。8度起不到什么作用。但客戶(hù)會(huì )講，NCA安全性好很多。我說(shuō)那你電池容量多少？說(shuō)180都不到。為什么不到180？倍率差。因為大量鋁摻進(jìn)去，是吸收容量和倍率的，尤其對倍率的損害比較大。它不是同一個(gè)基準比較，如果讓它放在同樣的能量比安全性，才有意義。811從化學(xué)穩定上講沒(méi)有本質(zhì)影響。100%的SOC下能量差不多。你讓它容量差了10個(gè)毫安時(shí)，當然安全性會(huì )好一些。我們還是從本質(zhì)上、基本原理上來(lái)認識這個(gè)材料。
我分享的就這些，歡迎大家批評指正。
主持人：非常欣賞陳總的分享。
感謝大家參加我們第三期“Li+學(xué)社”，希望大家多給我們提一些交流的方向。這次也感謝塔菲爾給我們的支持，謝謝塔菲爾的各位同事，有請張總給我們講兩句。
張雨：非常感謝當升的陳總還有同濟大學(xué)的戴老師以及塔菲爾的葉總和李博士（音），每次我都要感謝企業(yè)給我們的支持，包括學(xué)術(shù)界。今年和同濟大學(xué)，我們整個(gè)沙龍從題目到探討方向，都是我們和同濟在交流。因為我們未來(lái)電池在使用上，系統這塊還是挺關(guān)鍵的。我們跟同濟在一兩年前就開(kāi)始交流，動(dòng)力電池峰會(huì )成立之后，剛開(kāi)始很多工作需要做一些基礎，但我們會(huì )默默的如期辦下去。任何一個(gè)產(chǎn)業(yè)也好，研究方向也好，它沒(méi)有一個(gè)循環(huán)性的支持，可能也持續不下去。我為什么特別感動(dòng)企業(yè)給我們的支持，尤其是像塔菲爾今年對我們學(xué)術(shù)，給了很多大力支持。一個(gè)企業(yè)在關(guān)注研發(fā)學(xué)術(shù)，它自身的產(chǎn)品一定也會(huì )非常重視。因為我們也去過(guò)塔菲爾調研交流過(guò)。我們覺(jué)得選擇和塔菲爾在學(xué)術(shù)這塊做深入的探討，他們在研發(fā)尤其是企業(yè)中，老板的氣質(zhì)和團隊，非常貼切未來(lái)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展。當升材料我們前段時(shí)間調研，跟他們的團隊也做過(guò)深入交流。這期沙龍，我給陳總打電話(huà)也是非常臨時(shí)和突然，特別痛快的給了我們支持。
動(dòng)力電池峰會(huì )去年剛剛成立，電池中國今年第五個(gè)年頭。剛才陳總說(shuō)你們第一屆汽車(chē)交流會(huì )為什么不宣傳。其實(shí)我們做很多事情都是這樣的風(fēng)格，很少前期大量的宣傳自己。因為覺(jué)得有些東西做得更重要，在這里非常感謝大家，堅持到現在給我們做報告和分享。謝謝大家！
明天的參會(huì )，我們有兩個(gè)平行論壇，是非常熱的一天，如果大家報了名參會(huì )的，今天下午會(huì )展中心已經(jīng)開(kāi)放報道了，大家可以去報道，領(lǐng)資料和參會(huì )證。祝大家在深圳期間愉快，謝謝大家！
（根據現場(chǎng)發(fā)言整理、未經(jīng)本人審核）
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