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直击储能大会|精工电子薛娟娟:锂离子电池能量密度提升及环境适应性方案探讨

作者:中国储能网新闻中心 来源:中国储能网 发布时间:2022-09-16 浏览:

中国储能网讯:第十二届中国国际储能大会演讲速记如下:

薛娟娟:大家好!非常感谢主持人的介绍,也非常感谢我们主办方组织这样一个大型活动给我们交流的机会。今天给大家带来的报告是关于锂电池的能量提升和环境适应性方面的优化方案。我的报告分以下几个方面,给大家做分享。

首先介绍一下锂电池。现在国家发展锂电池也是归结于全球的发展趋势和目标,从国际环境上来看,在欧盟他们提出了关于碳排放的硬性指标,这也促进了新能源的发展。同时国内也在促进经济发展,和节能减排方面的目标前提下,也在极力推新能源。尤其是我们提出了碳达峰和碳中和,虽然国际环境比较复杂多变,但是维护整个地球村的环境,也是全球共同的目标。所以新能源的转换,不仅是出于对环境的保护还是应对能源危机,都是一个有效的能源器件。

当前锂电池比较成熟的产品包括铁锂和三元体系,我们精工主要做的是磷酸铁锂电池,占比到七成以上。这个是我们厂区内做的储能柜,也是满足我们削峰填谷的用电需求。

锂电池的应用量也比较大,包括电动汽车,电动船舶,我司也是拿过船级社的认证。还有储能以及消费类的产品,以下做了一下列举。

从全球用量来看,从2017年到2022年这五年的时间,锂电池的用量有了非常大的增长;国内的市场,从2016年到2022年这6年的数据来看,大部分应用领域在于动力和消费类的产品,在储能方面的应用占比还是比较小的,所以在储能方面市场的拓展以及性能需求的评估,还有电池的技术指标要求,可能也还是需要我们做大量的工作。

两大关键体系锂电池:三元电池、磷酸铁锂电池。在2020到2021年,电池结构的创新,像宁德时代提出的CTP技术,还有比亚迪提出的刀片电池等技术创新,磷酸铁锂电池能量密度有了较大的提升,其应用有了非常大的增长。

关于能量密度的问题,我总结了一下当前集中代表性锂电池,重点计算了磷酸铁锂电池的能量密度,从重量比能量密度上来看,像方形电池有着非常大的优势,它的重量比能量密度是最高的,比圆柱有非常强的优势。但是从体积能量密度上来看,圆柱尤其是大圆柱还是非常有优势的。

但是,作为一个老牌磷酸铁锂电池生产厂商,我们也深知磷酸铁锂的短板,比如它的能量密度低,本征的离子电导率低,这些问题会导致不能满足最终产品的性能需求。这里我列了表格,磷酸铁锂的理论客容量是170mAh/g,但实际我们在电池的应用中,克容量发挥只有145-150 mAh/g之间,克容量发挥的空间还是比较大的。精工在这方面的技术创新也做了大量的工作。

这是我们在提高磷酸铁锂电池能量密度的一些优化措施,我从下面两张数据来给大家做一个介绍,在提高体积能量密度以及提高循环寿命,尤其是刚才各个专家提出来全生命周期成本的问题,如果循环性能做到非常大的提升,对后面电池的成本计算也是非常有利的。

还有高低温性能的要求,这也是我们产品应用的实际工况的要求,因为我们现在产品的应用在全球范围内都有所应用,比如在欧洲和非洲像某种温差较大的环境,对电池高低温性能的要求是比较高的,首先要保证电量,其次还要保证循环寿命。

首先是高能量密度产品设计。因为我们精工做的产品包括正极材料、锂电池和PACK组合整个产业链上的产品。首先在材料方面的工作,一是关于提高能量密度方面做的提高材料的压实密度,这是我们根据密堆积的理论,控制材料的一次颗粒和二次颗粒的粒径大小和分布,来提高堆积密度。前驱体浆料的粒度的分布,对最终产品的粒度分布,有非常大的影响的。所以我们现在控制在前驱体,我们现在用的是磷酸铁体系,采用砂磨工艺,对浆料颗粒的分布区间控制在工艺要求的范围内。通过我们的工作,我们现在可以做到材料的压实密度2.7g/cm3,通过计算体积比能量密度可以提高13%左右。

当然我们在做这些工作的时候,也做了电芯的分析和检测,不同压实密度,虽然我们对颗粒做了调整,但是颗粒的洁净度没有受到影响,都是纯相的磷酸铁锂。我们通过电镜也可以看到不同压实密度的材料,它的特征就是一次颗粒的尺寸有着非常明显的差异。

考虑到粒径的变化,尤其是压实密度的提高,对极片表面致密度的影响,会影响整个极片的电阻值,所以我们对电池的阻抗也做了检测发现,发现我们虽然提高了压实密度,但是颗粒之间的孔隙率还是比较高的,对电解液的浸润性比较好。所以我们做出来的材料,是在不影响最终电池性能的前提下,可以把能量密度做高。

根据我们的设计,我们主要生产的两种类型产品,一个是18650和26650,这两种电池的容量,18650可以做到2200mAh,26650的可以做到4500mAh。

第二个方面是我们对长循环上的设计,刚才提到全生命周期成本的控制,我们现在用了一种合成方法是碳气凝胶,碳的类型有单一的也有复合的,通过实验数可以看出来,用复合的碳做出来的电池极化是最小的,而且阻抗也是最小的。磷酸铁锂主要的提高电导率的方式就是碳包覆,我们在做碳包覆的时候,通过采用这种复合的碳源做出来的碳包覆层是均匀的网络结构包覆在材料的表面,没有多余的不定形碳。可能对后面电池的容量发挥,以及压实性能的提高,都有一些不利的影响。而且通过拉曼曲线可以看到这种碳源合成出来的材料石墨化程度是最高的,包覆均匀性是最好的。

同时因为我们自己也做电芯,在电芯的制浆以及电芯的整个极片的设计上也做了大量的工作。典型的是我们在电池制浆的过程中采用了超声辅助热的干燥工艺,可以使我们湿法涂附的极片均匀性会显著提高,这样控制面密度不会在整个极片或者是电池内部由于面密度差异造成循环性能的不稳定,而提高最终产品的电池一致性。

另外,我们现在采用一种卷绕的技术,产品卷芯是圆形的结构,这样会存在一种现象,越往外层的极片包的弧度不同,会造成正负极的N/P比,会造成整个电芯的设计不均匀性,所以我们也做出来一种分布式涂布的极片,来保证整个电芯内部结构的均匀性。

这是我们实测的数据,通过对这些材料以及电池工艺的优化和改善,我们现在10C充放循环800周可以保证容量保持率大于80%,1C充放4000周可以保证大于80%。

另外是从高低温适应性来讲,刚才讲到全气候使用的条件,不分春夏秋冬,不分地域,不会因温度差异和工况不同而受局限性,所以我们设计了宽温适用性的电芯。

高低温性能方面的开发和设计,除了是硬性的技术要求之外,最重要的是影响安全性,比如低温0℃以下的充电,高温的循环使用工况,会对电池内部结构和性能有非常大的影响。

所以我们在这方面做了大量的工作,一个是在提高低温放电能力方面,首先是把碳包覆的含量提高,这样会提高材料的电导率,我们对比数据可以发现,碳包覆量的不同,会对低温放电的平台和容量有显著差异。低温型的电芯材料碳含量要在1.8%左右,正常容量型的碳含量在1.2-1.4%之间。

同时我们做了其他的研究工作,这是我们对材料颗粒尺寸的监控,用了一种算法,我们做出来材料的一次粒径做了测量,通过大量的数据统计和分析发现粒径控制,一次颗粒的粒径相差100nm,克容量发挥可能会在3mAh/g。

通过以上我们做的技术创新,对材料和微量调整电解液制造出来的产品,一次粒径在200nm左右,-20度低温放电大于70%,-40度低温放电可以达到40%左右。

另一个方面是在高温方面做出来的工作,因为现在很多应用领域,包括应急灯和户外电源等应用的要求,对温度窗口的监控,也是现在需要攻克的技术。我们现在做高温优化,主要还是通过电解液方面的调控,它的理论基础是调控HOMO和LUMO的能级,使电化学稳定性在一个比较宽的温域内工作。

我们通过和供应商联合开发电解液,做出了高温型的电芯适用的电解液,检测在55℃浮充循环一年容量保持在90%以上;25℃、50℃和70℃不同温度的数据对比,电芯性能一致性依然比较高。

同样检测在60℃循环,也能达到2000次以上保持80%以上的容量保持率。通过检测自放电,主要考虑到在实际使用过程中,很多电池应用像应急灯之类的,会有大量的放置和静置的时间,不放电的情况。我们做了一个自放电的曲线,85℃的情况下搁置180天,容量可以保持在80%以上。

以上是我们做的关于提高能量密度,以及在全气候使用的电芯技术方面的创新,精工现在主要是做圆柱,圆柱已经做了十几年,现在整个技术团队在这方面做的创新工作也非常多,授权专利有632项。

最后再给大家简要介绍一下精工,我们精工成立于2008年,现在是在山东枣庄,整个工厂占地面积大概300亩,现在产量是每天85万支的产量,授权专利是632项,同时我们也参与了国际、国家省市的标准制定。

这是我们主要的产品情况,具体来讲,这是我们生产的磷酸铁锂材料,拥有自主的专利技术,在欧美七个国家都有授权。应用端我们做得也比较多,首先是储能方面的,我们做的储能有家用的和工业用的,以及便携式电源。智能制造类如机器人、AGV等产品。还有微动力的,轻型动力方面,比如高尔夫球包车、电动叉车,小型动力电池我们也在做很多成熟的方案。医疗器械类有疫情刚出现的时候,给火神山医院做的一些项目。

这是我们公司的联系方式,公司总部在山东枣庄,有这方面业务需求的,可以及时关注一下精工公众号。

我的报告就到这里,谢谢大家!

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关键字:锂离子电池 储能大会

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