中國儲能網(wǎng)訊：10月13日-14日在杭州召開了“第二屆混合動力車市場與先進電池技術發(fā)展研討會”，會議受到了國內外電池、材料、設備和汽車領域眾多企業(yè)的廣泛關注， 400多位國內外嘉賓參會。自2014年4月中國化學與物理電源協(xié)會在北京組織了“第一屆混合動力車市場與先進電池技術發(fā)展研討會”以來，在國內外純電動車和插電式混合動力車取得較快發(fā)展的同時，混合動力車輛，特別是微混車輛也在國際上得到預期的快速發(fā)展。特別是近來進一步提出了發(fā)展48V電池體系與技術的要求,使電池行業(yè)又出現(xiàn)了一個新的發(fā)展熱點。
“第二屆混合動力車市場與先進電池技術研討會”的舉辦，給大家提供了一個交流的平臺，幫助大家了解國內外在混合動力汽車產業(yè)方面的發(fā)展動向、最新進展，交流適用于混合動力汽車發(fā)展的各種電池技術及其最新進展。希望通過技術交流，能對我國混合動力汽車產業(yè)的發(fā)展起動一定的借鑒和推動作用，加快我國混合動力汽車用各類電池技術的快速發(fā)展。
在本次會議上，東莞市邁科新能源有限公司技術總監(jiān)宋曉娜博士做了“邁科低溫動力鋰離子電池研究進展”的專題報告，以下是根據(jù)速記整理的文字，未經本人審核，僅供參考。
我主要是想介紹一下邁科在動力低溫鋰離子電池方面做的一些工作。我的演講主要是分四個方面的內容，一是低溫電芯挑戰(zhàn)，二是低溫電芯的解決思路，三是低溫典型結果展示，四是邁科鋰電介紹。
邁科為什么要開發(fā)低溫鋰離子電池？中國大部分區(qū)域冬天的時候溫度非常低，都在零下20攝氏度，零下30度也是有的，所以在低溫下新能源汽車的充電也是非常困難，因為它的行駛里程也會有明顯的降低。鋰離子電池在低溫下在充放電有什么樣的瓶頸？第一個圖就是鋰離子電池工作原理，在座的各位應該對這個很熟悉，鋰離子從正極里面脫嵌出來通過電解液、隔膜到負極的結構，同時電子進入到負極，那么在低溫下這個過程發(fā)生了什么變化？因為在低溫下有一個很明顯的反應，溫度降低低阻抗增加，主要的原因可以從以下幾個方面來分析，一個是低溫對材料導電率的影響，二是低溫下電解液黏度增加，導電率下降，同時離子遷移率也會降低。從全電池的EIS阻抗圖譜可以看到，隨著溫度的變化，阻抗值的變化情況，溫度從25℃降到0℃的時候，阻抗增加非常明顯。
鋰離子工作過程說一下，從充電來講，鋰離子在充電的過程當中首先從正極脫嵌出來，經過電解液、隔膜，然后進入到負極表面，然后通過SEI膜（音譯）進入到負極材料，最后進入的過程就是固定擴散的過程。我們把鋰離子電池阻抗用一個等效的電路圖模擬出來，把阻抗分成三個部分，剛才有人問到這三個部分分別代表了什么東西，就從這個阻抗圖來解釋，Rs代表的是與鋰離子和電子經過電解液、隔膜、負極材料以及導線過程有關的一個阻抗。另外一個部分是高頻區(qū)域，這個地方是Rf，是鋰離子進入到活性材料表面，要經過一個絕緣層，也會產生一定的電阻，其實主要的還是活性材料表面SEI膜產生的阻抗。第二個半圓也就是中頻就是電子產生的阻抗，另外一部分是斜線部分，離子在活性材料里面的固體的擴散過程。當然這只是一個等效的模擬來解釋的，它也是有很大的局限性的，因為是在一種理想的情況下模擬出這樣一個電路來，而且數(shù)據(jù)擬合的時候也有很多的局限性，我們做分析的時候也還是從整體的阻抗變化來分析這些影響因素的。
做成了這樣一個等效電路圖，并擬合出了這三個部分的電阻數(shù)值，隨著溫度的變化，這三個部分都有明顯的增加，其實Rct增加最為明顯。同時為了分別研究正極和負極這三個部分隨著溫度的變化，我們也對正極和負極兩種阻抗的變化做了這樣的數(shù)據(jù)擬合，可以看出不管是正極，還是負極，隨著溫度的變化，三個部分都有增加，Rct是最為明顯的，負極材料的增加比正極更為顯著一些。
我們把電池的充放電過程中鋰離子傳輸所遇到的這些電阻模擬出來，計算每一部分對電阻的貢獻比例，其中負極所占的影響比例最大，其次就是正極，然后就是電解液，我們準備從這三個方面來改善低溫性能，低溫過程最明顯的一些因素變化就是阻抗的增加。正極這塊，我們的思路跟大家相似，減少顆粒的粒徑，對材料進行表面包覆和摻雜。負極這塊也采用了和正極一樣的思路，采用優(yōu)化顆粒尺寸的手段。我們也做了實際的阻抗測試，采用這種改善后的材料，它的阻抗是有明顯降低，當然這也是整體的阻抗數(shù)據(jù)來顯示的。電解液這塊，因為我們公司電解液這塊是自己出配方，我們主要是降低它在低溫下的黏度，同時提高低溫下的電導率，我們做了測試，低溫下的電解液隨著溫度的降低黏度不會有非常大的升高，電導率也不會下降。我們在導電劑引入了復合導電劑，希望在活性材料表面形成點、線、面多維的導電網(wǎng)絡，這個材料體系也已經導入了低溫的產品中。還有就是粘結劑，我們常規(guī)的粘結劑都是立狀的形態(tài)，這種阻抗的不均也會產生阻抗的增加，所以我們導入新型的粘結劑，以面狀的形式呈現(xiàn)，所以阻抗的均勻性會有很大的改善，一定程度上也降低了整體的阻抗值，我們測試了采用不同粘結劑的電池阻抗，它的阻抗值降低了50%。
下面通過這些改善，展示一下我們邁科在低溫電池這方面的典型成果。我們是做圓柱形鋰離子電池，同時開發(fā)了磷酸鐵鋰體系和三元體系兩種低溫鋰離子電池，這兩種體系都可以滿足在零下40度1C放電大于70%，零下20度可以0.2C充電不析鋰，同時這種體系的倍率性特別好，3C充放可以做到1500次，大于80%的容量保持。具體的數(shù)據(jù)再介紹一下，這是我們低溫磷酸鐵鋰電芯體系性能，右邊的曲線第一是零下20度1C放電體系，紅色是常規(guī)體系，藍色是低溫體系，放電容量有非常大的提升，低溫體系可以放到90%以上，常規(guī)體系只能是70%。放電能量低溫體系是80%。在零下40度1C放電，紅色常規(guī)體系沒有什么容量，但是我們低溫體系可以放出90%，能量可以放出70%，常規(guī)體系下基本上沒有什么能量可以放出來。我們也對低溫電芯做了低溫下10個循環(huán)，然后進行拆解，看它的極片有沒有析鋰，結果顯示10個循環(huán)以后負極極片仍然是比較均一的金黃色，完全沒有吸鋰。這是我們低溫磷酸鐵鋰體系電芯的循環(huán)壽命，我們體系剛剛推出，測試沒有很完整，這是我們真實的數(shù)據(jù)，常溫1C充電循環(huán)，目前是1200次左右，92%以上的容量保持。3C充放循環(huán)1400次，80%以上的容量保持。45度的1C充放循環(huán)，1100次左右，90%的容量保持。零下20度做了0.2C充0.5C放的循環(huán)，100多次，前面十幾個循環(huán)降低得比較快，后面降低得比較小。再介紹下低溫三元電芯，左邊的數(shù)據(jù)也是常規(guī)的性能數(shù)據(jù)，右邊是零下20度1C放電曲線，藍色是低溫體系，紅色是常規(guī)體系，容量上差異不大，但是平臺高出了很多。這是零下40度1C放電，常規(guī)的紅色體系沒有容量放出來，藍色低溫體系可以放到70%的容量，能量可以放出大于60%。同樣我們也做了低溫下10個循環(huán)進行拆解，同樣負極極片呈現(xiàn)出均一的金黃色，完全沒有析鋰）。這是我們三元體系的循環(huán)數(shù)據(jù)，第一個就是常溫下0.5C充1C放，現(xiàn)在做到1000次，有92%的容量保持。也做了1C充3C放的循環(huán)，現(xiàn)在做到1000次，90%以上，滿足1500次是完全沒有問題的。另外也做了45度1C充放循環(huán)，現(xiàn)在可以做到接近1000次，85%以上的容量保持。零下20度的循環(huán)，后面趨勢逐步趨平，前面比較快。
低溫電芯開發(fā)出后在北方市場的應用熱管理策略比較容易實現(xiàn)，如果在北京以南Pack就不用考慮加熱系統(tǒng)。我們還考慮了均熱和散熱，希望每一個電芯都在同樣的溫度下工作，這樣就不會出現(xiàn)電芯性能上非常大的差異。
下面利用幾分鐘的時間介紹一下公司，我們邁科新能源成立于2003年，主要是從事鋰離子電池的研發(fā)和生產，2009年就啟動了新能源動力鋰離子電池的項目，同年成立了邁科研究院，2012年成立了新能源科研團隊，廣東省第四批創(chuàng)新團隊是做先進動力鋰離子電池研發(fā)，其中團隊成員是美國一些著名專家，第五批新團隊是鈉離子電池。我司的主營業(yè)務是鋰離子電池，一是消費類的聚合物鋰離子電池，二是動力和儲能用的圓柱形鋰離子電池，今年年底會推出方形鋁殼鋰離子電池，應用在動力和儲能市場上。這是我們邁科的一些研發(fā)平臺，有院士和博士工作站，同時又幾個實驗室。這是我們邁科自己的研發(fā)中心，2015年初光設備這塊投入了兩千萬建立了自己的研發(fā)中心，另外我們在松山湖購買了一個研發(fā)基地，設備這塊準備投入五千萬。剛才有提到我們廣東省的第四批創(chuàng)新團隊，主要是先進的動力鋰離子電池，2014年導入，同時也研究了下一代的Li-S,Li空氣電池技術。廣東省第五批創(chuàng)新團隊主要是研究鈉離子電池，鈉離子資源非常豐富，價格比較低，另外也比較安全環(huán)保，循環(huán)壽命比較長，但是能量密度比較低，跟鋰離子電池相比還有一點劣勢，可用在儲能市場上。目前我們的鈉電池實際測試的數(shù)據(jù)與我們的目標接近，放電平臺也基本上達到我們的要求，100個次循環(huán)，放電容量保持率97%?？紤]到鋰離子電池在新能源汽車上的應用前景問題，我們未來在籌劃廣東省第六批創(chuàng)新團隊，計劃開發(fā)燃料電池。目前我么批量供貨的產品三元體系有兩個，6.3安時和7安時，循環(huán)壽命2500次大于80%，磷酸鐵鋰體系電芯5安時和5.5安時，1C/1C 3000次，大于80%；三元VDA電芯，目前已經有樣品線，生產線會在今年年底投入量產。本次演講主要目的還是想推廣我們的低溫電池，希望為北方新能源汽車的推廣做出我們的貢獻。
