瑞浦蘭鈞夏保佳：提高高鎳材料的安全性勢(shì)在必行
“瑞浦蘭鈞成立將近5年，現(xiàn)在已經(jīng)有26GWh產(chǎn)能投產(chǎn)，還有30GWh在建設(shè)當(dāng)中，另外還有100GWh已經(jīng)啟動(dòng)。”在日前遂寧召開的“2022中國(guó)（遂寧）國(guó)際鋰電產(chǎn)業(yè)大會(huì)暨新能源汽車及動(dòng)力電池國(guó)際交流會(huì)”上，瑞浦蘭鈞能源股份有限公司技術(shù)顧問(wèn)夏保佳博士在演講中如是介紹。
圖為瑞浦蘭鈞能源股份有限公司技術(shù)顧問(wèn)夏保佳作演講
在產(chǎn)品研發(fā)方面，瑞浦蘭鈞計(jì)劃用三元正極配合傳統(tǒng)活性石墨，把電池比能量做到250-280Wh/kg，且適合在零下20℃的環(huán)境下充電。然后，會(huì)用傳統(tǒng)石墨還有硅負(fù)極體系，把比能量進(jìn)一步提高，循環(huán)次數(shù)大于2500次，可以滿足零下30℃環(huán)境下的充電需求。
“再往后會(huì)用超高鎳配合硅材料，半固態(tài)電池做到300-350Wh/kg的能量密度，循環(huán)次數(shù)小于2000，可以滿足零下30℃的充電需求。全固態(tài)做到350Wh/kg的能量密度。”夏保佳透露。
高鎳體系是中長(zhǎng)期趨勢(shì)
新能源汽車對(duì)續(xù)航里程要求不斷提高，促進(jìn)了高鎳材料的發(fā)展。夏保佳指出，高鎳材料不僅在重量上有優(yōu)勢(shì)，而且在體積上也有優(yōu)勢(shì)。所以歐美市場(chǎng)非常傾向于高鎳正極材料的應(yīng)用，尤其是在高檔車方面。從技術(shù)角度而言，4680等大圓柱電池路線的興起，為更好匹配高鎳材料提供了廣闊的市場(chǎng)。
“尤其是負(fù)極用硅制材料的話，正極匹配高鎳材料，對(duì)于圓柱電池非常有優(yōu)勢(shì)。另外，固態(tài)電池也更加適合高鎳正極材料的應(yīng)用，充分發(fā)揮其能量密度的優(yōu)勢(shì)。成本角度看，高鎳材料與磷酸鐵鋰的差距也在不斷縮小。”夏保佳進(jìn)一步說(shuō)。
從市場(chǎng)需求上看，高鎳正極材料這幾年復(fù)合增長(zhǎng)率都在53%以上，未來(lái)幾年將是增長(zhǎng)最快的正極材料。隨著國(guó)內(nèi)外廠商在上游的一體化資源布局、正極產(chǎn)能擴(kuò)張節(jié)奏加快以及自身技術(shù)迭代進(jìn)步，正極材料市場(chǎng)將加快增長(zhǎng)。根據(jù)全球廠商規(guī)劃，2024年全球高鎳材料產(chǎn)能將達(dá)150多萬(wàn)噸。
為追求電動(dòng)汽車更高的續(xù)航里程，高鎳體系動(dòng)力電池是中長(zhǎng)期發(fā)展的趨勢(shì)。不過(guò)，就目前而言高鎳材料在安全性方面仍存在一些問(wèn)題。
夏保佳指出，隨著鎳含量增加，氧的活性增加，材料自身穩(wěn)定性就會(huì)下降。2020年以來(lái)，發(fā)生了多起電動(dòng)汽車燃燒事件，其中不少涉及高鎳電池。雖然隨著各項(xiàng)技術(shù)的升級(jí)，中鎳高電壓也取得很大進(jìn)展，但受到材料本身穩(wěn)定性和電解液雙方面的制約，中鎳高電壓比容量和循環(huán)壽命都出現(xiàn)天花板。所以進(jìn)一步提高高鎳的安全性勢(shì)在必行。
改善高鎳材料安全性的措施
關(guān)于體相改善高鎳正極材料安全性的措施，夏保佳表示，“一個(gè)是變成逐向分布，對(duì)于提高材料的穩(wěn)定性和安全性是有利的”。由三元變成四元，就是鎳鈷鋰錳可以提高強(qiáng)度，增加熱穩(wěn)定性。從晶體角度，單晶化也是一個(gè)有效措施。
表面是電化學(xué)反應(yīng)的場(chǎng)所，所以要保持活性。但是夏保佳指出，如果活性很高，與電解液反應(yīng)非常劇烈，這對(duì)安全性是不利的，所以要平衡好表面活性和鈍化的矛盾。另外，還要平衡好包覆均勻性和材料倍率特性，以及水性包覆與循環(huán)壽命的矛盾。
“高鎳材料特別怕水，實(shí)現(xiàn)均勻包覆用水體是很好的技術(shù)路線”。夏保佳表示，同時(shí)要平衡油性包覆與成本環(huán)保的矛盾，這個(gè)技術(shù)亮點(diǎn)之一就是改性樣本材料穩(wěn)定分布特別均勻，而且包覆很完整，可以抑制材料在電解液當(dāng)中的溶解。這個(gè)方法可以進(jìn)一步提高安全性，因?yàn)樨?fù)極SEI膜也是觸發(fā)安全問(wèn)題的重要原因之一。
實(shí)驗(yàn)表明，材料改性包覆之后的熱特性也可以得到明顯改善。夏保佳談道，在加熱實(shí)驗(yàn)中，未包覆材料在121.5℃的時(shí)候發(fā)生明顯熱失控；而包覆材料在160℃的時(shí)候溫度沒有上升，反而降低了。在短路實(shí)驗(yàn)中，改性后的材料短路的時(shí)候溫度更低，發(fā)熱量也降低。在過(guò)充測(cè)試、針刺實(shí)驗(yàn)中，改性后的材料也表現(xiàn)了明顯安全優(yōu)勢(shì)。
在體系優(yōu)化方面改善高鎳材料安全性的措施。夏保佳指出，多晶和單晶材料各有優(yōu)缺點(diǎn)。比如，多晶比容性高，但穩(wěn)定性差；單晶有好的穩(wěn)定性，負(fù)反應(yīng)少，但動(dòng)力學(xué)性能比較差。瑞浦把單晶和多晶按一定比例混合以后制備成電極，發(fā)揮了單晶和多晶各自的優(yōu)勢(shì)，特別是可以有效釋放多晶材料的應(yīng)力，減少多晶材料的裂紋，從而提高安全性和循環(huán)壽命。
此外，高鎳與磷酸錳鐵鋰進(jìn)行混合也可以提高安全性。夏保佳表示，錳元素和鐵元素均勻分布，穩(wěn)定性很好。同時(shí)，磷酸錳鐵鋰是一個(gè)小粒徑，與高鎳混合時(shí)填補(bǔ)在高鎳縫隙里面，一旦熱失控，錳鐵鋰就是很好的隔離物。
“高鎳三元材料和錳鐵鋰混合以后，熱失控耐受溫度可以提高20℃，穿刺測(cè)試比例達(dá)到二分之二，相關(guān)結(jié)構(gòu)對(duì)于超高鎳體系也適用。”夏保佳進(jìn)一步補(bǔ)充說(shuō)。
相關(guān)閱讀：
驗(yàn)證碼：
