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第二届新型电池正负极材料技术国际论坛参会报告(蒋俊宏)

        各位专家的精彩报告让我大开眼界,给了我深刻的启发。陈立泉院士从国务院下发《节能与新能源汽车产业发展规划(2012-2020)》对高比能锂电池的要求出发,分别指出了就近的将来可能达到目标的几款高比能正极材料及硅碳负极材料。并简单介绍了各新材料的现状。本人曾负责锂电池新材料认证、评估、导入,自认为对锂电各材料性能都有比较透彻,现在才知道自己对锂电材料了解更多只是停留在常规材料,以及我们实验室新材料的初步认知,而国内外已经开始着手研发、探索下一代各类高比能新材料,并取得较大的进展。同时,通过与会专家的讲解,拓展了自己的视野,加深自己对锂电池新材料的理解,意识到锂电池行业未来的发展的方向,也纠正了一些错误思维方式。非常荣幸,非常感谢有这个机会参加些会议,未来一段时间一定好好消化吸收这丰富的美餐,THs.

一、高比能动力电池2020年国家战略目标300Wh/L

                     

二、未来5年中动力锂电池要达到300Wh/kg的目标,什么材料能够满足要求?

       物理所陈立泉院士及台湾吕学隆博士的锂电池正负材料的市场与商品化技术趋势报告给了我深刻的印象。分别从技术、市场及产业化不同角度分析讨论,结论均指向NCA、811-NCM、富锂正极材料以及硅碳负极材料。无论是NCA、811-NCM、富锂材料,还负极硅碳负极材料的克容量发挥,从各位专家、学者的报告都有得出明确的结论,克容量发挥均达到预期,并且这几款材料均实现公斤级小试,811-NCM、硅碳负极材料更是已经实现小批量生产。电池设计重点考察材料的主要技术参数见表-1

                       

用我们实验室MPL07105155型号评估,单体电池能量密度能达如下:表--2

                       

        陈立泉院士、吕学隆博士及相关专家指出高比能电池材料方向,但从电池设计角度考量,个人认为动力电池要达到300Wh/kg,硅碳负极材料1.6g/cm3压实密度条件,负极容量发挥至少需达470mAh/g以上,然后匹配上NCA、811-NCM、富锂任何一款材料,压实密度3.4 g/cm3NCA材料容量发挥至少要达200mAh/g, 压实密度3.7 g/cm3NCM材料容量发挥至少要达195mAh/g, 压实密度2.5g/cm3富锂材料容量发挥至少要达250mAh/g,均可实现300Wh/kg的目标。

三、如何改善、解决硅碳体系电池的寿命、安全问题?

        各位专家、科研人员努力奋战开发出的新材料,虽能量密度达到要求,但是新材料导入公司量产还存在很多问题,新材料各批次间是否能保持一致?材料是否稳定?以及与电解液匹配等问题能否有效解决。最直接就是循环寿命是否能达到要求,制作的电池是否安全、能否适应高、低温等极端条件。

        锂电池上市公司中国比克电池公司林建前辈的报告就指出硅碳应用于锂电池体积澎胀问题,并提出了他们的解决方案。第一,粘结剂的选择。也是非常重要的一点,应选择什么类型的粘结剂?粘结剂必须具有良好的弹性,能够适应硅碳的体积,在较大的体积澎胀条件下,依然能保持极片的粘结效果。比克电池公司现在应用于硅碳的粘结剂有:SBR、SBR改进系列与丙烯酸树脂系列。第二,导电剂的选择。导电剂的长/径比(length/diameter ratio)多少合适,一维导电剂,二维导电剂,还是能形成三维导电网络的导电剂?比克分别选择SP、CNTs、VGCF导电剂制作电池测试。测试得出结论:1、由于CNTs、VGCF具有较大的longer/diameter ratio,其电池循环性均大大优于SP电池。2、由于SP、VGCF具有较低的比表面积,其电池的高温储存性能明显优于CNTs。我们石墨烯产品比表面积低、longer/diameter ratio大,两个特点都具备,石墨烯应用于硅碳体系电池是具有着天然优势。第三,硅碳体系的电解液匹配。电解液添加什么样的添加剂,可以负极片表面界面形成的SEI能够适应硅碳的体积澎胀。不会因为硅碳的澎胀而导致SEI膜破坏。比克电池测试结果:适当添加VEC可以改善硅碳体体系的高温储存性能,电解液中适当添加TMSB有助改善SEI膜,提高循环寿命。

                      

关于改善硅碳与电解液匹配问题,比克电池的报告、深圳贝特瑞的黄友元博士及其它专家学者有提到硅碳材料浆料分散的工艺改善问题,在浆料分散过程可以通过选择合适树脂适量添加,对硅碳进行不完全包负,硅碳颗粒留有一定空隙,树脂不能够完全包负硅碳。减少电解液与硅碳表面的直接接触,达到改善循环的目的。