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練就三項“秘技”,這款動力電池實現國際領先

來源:  科技日報     時間:  2019-03-19 11:26
  把“命門”掌握在自己手中
  關鍵核心技術事關創新主動權、發展主動權,也事關國家經濟安全、國防安全和其他安全。習近平總書記指出,要努力實現關鍵核心技術自主可控,把創新主動權、發展主動權牢牢掌握在自己手中。從今天開始,本報推出“把‘命門’掌握在自己手中”專欄,解讀這些為相關學科、產業發展打開新局面的核心技術,為新中國成立70周年獻禮。 
  電動汽車因存在續航里程短、成本高等問題,許多潛在消費者對其望而卻步。 
    鋰離子動力電池能量密度已成為其產業化瓶頸,為此美、日、韓等國都制定了相關產業政策,其目標均指向“2020年能量密度達300Wh/kg”。日前,在國家重點專項支持下,寧德時代新能源科技股份有限公司研發團隊攻克高鎳三元材料及硅碳負極材料等關鍵核心技術,率先開發出比能量(質量能量密度)達304Wh/kg的電池樣品,在這一國際競賽中折桂。 
    打通“任督二脈”,補齊正極材料短板 
    鋰離子動力電池是目前應用最為廣泛的新能源汽車動力電池,是新能源汽車的核心部分。其優勢在于能量密度高、循環壽命長,其技術難點在于穩定性和安全性要求高、制備過程復雜,該核心生產技術一直掌握在世界少數幾個國家手中。 
    電池的能量密度,是指電池平均單位體積或質量所釋放出的電能。“目前能量密度的提升,成為制約鋰離子電池發展的最大瓶頸,面臨著諸多世界級難題。”寧德時代首席科學家吳凱說,電池廠家可通過增大電池尺寸來達到電量擴容的效果,但電芯“變胖”或者“長個兒”只治標,并不治本。 
  究竟是什么限制了鋰電池的能量密度? 
  吳凱介紹,電池背后的化學體系是主要原因。一般而言,鋰電池的四個部分非常關鍵:正極、負極、電解質、膈膜。其中正負極是發生化學反應的地方,相當于人體“任督二脈”。 
  由于目前負極材料的能量密度遠大于正極,正極材料就成為了“木桶的短板”——鋰離子電池的能量密度下限取決于正極材料,所以提高能量密度就要不斷升級正極材料。但是,我國高鎳材料開發起步晚,技術積累較為薄弱,制備工藝及裝備條件較為落后。 
  “批量穩定供應高性能的高鎳正極材料,是高比能量動力電池開發的關鍵技術難點之一。”吳凱說,為此,寧德時代依托國家工程研究中心、福建省重點實驗室等重大科研平臺,通過與產業鏈上下游合作單位的協同開發,優化原材料合成工藝條件,提高結構穩定性,調整微觀結構、控制材料形貌和尺寸分布,逐步實現了國產高鎳材料的規?;a及應用。 
  與日韓競爭對手的同類材料相比,目前國產高鎳材料具備可逆容量高、壓實密度高、表面及體相結構相對穩定的特點,將打破日韓技術壟斷,提升國內產業鏈技術水平及國產動力電池核心競爭力,打掉創新路上的“第一只攔路虎”。 
  顛覆傳統,解決負極材料的硬傷 
  負極材料也是鋰離子電池的核心材料之一,目前大多采用石墨作為負極材料。隨著對續航里程需求的持續升級,傳統石墨負極已不能滿足市場對電池能量密度的期望。 
  據測算,硅基負極材料的比容量可達石墨負極的10倍,被看作是后者的“替代者”。傳統硅基材料的應用,主要采用碳包覆技術,即在硅材料表面復合一層碳材料。吳凱介紹,但由于硅材料充放電過程中體積變化高達300%,多次循環后表面包覆的碳材料會破碎、脫落,對硅材料的保護作用大幅減弱,從而導致電池循環性能不佳。 
  這一世界級難題如“幽靈”一般困擾產業界10來年之久。 
  寧德時代摒棄了傳統碳包覆技術,轉向研究人造電解質界面膜包覆技術。歷時2年多,將這一技術應用到硅材料制備,開發出具有自主知識產權的新型人造電解質界面膜包覆的硅碳復合負極材料,其循環性能表現顯著優于國外產品,打掉創新路上的“第二只攔路虎”。 
  “與碳材料相比,人造電解質界面膜與硅材料的結合作用力更強、彈性更好、不易破碎或粉化,對硅材料起到很好的保護作用,因此能夠在循環中大幅提高硅材料的界面穩定性,從而提升電池的循環壽命。”吳凱說,此舉將促進我國充分掌握材料改性、前驅體合成等多方面的核心技術,實現關鍵材料技術的國產化,為硅碳復合負極的逐步商業化推廣應用提供了重要保障。 
  完美“瘦身”,率先使用航空級別的“7系鋁” 
  在能耗不變,體積和重量都受限的情況下,新能源汽車續航里程,主要取決于電池包的能量密度。 
  “這就考驗研究人員為電池包‘瘦身’的能力。”吳凱說,寧德時代首次將航空級別的“7系鋁”運用至電池包下箱體。“7系鋁”,鋁中的“戰斗鋁”,常被用于制造飛機起落架,具備輕盈、堅固、安全等特性。 
  吳凱告訴記者,“7系鋁”應用也具有很多風險,特別是應力腐蝕現象(金屬材料在某些特定的介質中,由于腐蝕介質和應力的共同作用而發生斷裂)。 
  “業內普遍認為這是‘7系鋁’的技術難點,甚至是技術禁區。”吳凱說,為此,他們通過上百項的實驗及相關工藝改善,使得應力腐蝕指數控制在行業內最高水平。目前,寧德時代已成功開發出“7系鋁”下箱體,并已量產。 
  至此,該企業電池包下箱體輕量化設計已處于世界領先水平。這一全新能量密度的動力電池,能使B級純電動轎車電池倉在現有基礎上,不額外增加空間,載能量(裝載電池的總電量)即可提升約50%;車載動力電池系統能量提高50%;整車重量可在現有基礎上減重250公斤,使該車型標準工況續駛里程提高到600公里以上……
 
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