此次,很荣幸能够在刘老师和夏老师的带领下参加第十届北京的锂硫电池技术及产业发展国际论坛。此次会议汇集了国内多家知名锂电池及其材料厂商,如CATL,力神,盟固利和当升等;同时多位业内研究领域的专家学者如陈立泉院士和夏定国教授,以及大名鼎鼎的美国阿贡国家实验室的Amine先生都参加了此次论坛会议。他们的参加使得此次会议具有很高的专业性和权威性,并为我们带来了多个锂电池技术及材料在研究领域和产业领域内的最新成果。从各位专家的精彩演讲中,我收获到了很多信息,得到了很多启发,无论是从工作计划安排到专业视角提升,此次会议都给我提供了很多帮助。下面我将从锂电技术发展前瞻和动力电池正极材料两个方面来总结此次论坛的个人收获。
锂电技术发展前瞻
首先要总结的是锂电技术发展前瞻这方面的内容。本次论坛邀请到了锂离子电池领域的著名专家,美国阿贡国家实验室的Amine先生。在他的演讲中我们可以了解到,同我们中国的目标相近,美国也希望在几年内能够将电池级动力电芯的能量密度提升至300Wh/Kg,并实现200Wh/Kg的系统级动力电池的生产。在他看来,能量密度的提升关键寄希望于高能量密度的正极材料,富锂锰基正极材料,高压尖晶石材料,高性能的三元材料如NCA等被看好成为下一代动力电池的关键材料。
结合之前国内众多专家和Amine先生的介绍,可以看出目前在锂电池技术领域内,国际上都致力于在2020年左右将电池能量密度提升至300Wh/Kg的级别。但是在国内目前在研究目标的制定上,似乎有了新的要求。正如开幕演讲中陈立泉院士所提到的,在已经制定2020年实现300Wh/Kg能量密度的目标之外,陈院士进一步提出希望能够早日看到能量密度达到350Wh/Kg的电池,这一指标对于现有锂电池技术而言,特别是稳定锂箔电极体系尚未出现的情况下,几乎是各部分的性能组合极限。作为富锂小组成员,我认为这一目标除了依托富锂材料能释放出稳定的极致性能外,也需要Si/C这样的高容量负极材料的稳定优质样品的配合,才有可能实现。目标虽然艰巨,但也促使我们要更好地专注于工作,尽快完成高性能富锂材料的批量制备。
除了陈院士和Amine先生的演讲外,还有例如现任国联汽车动力电池研究主任来小康等对当前国内国际的锂电池技术市场,特别是动力电池市场及其技术的分析。从中我了解到,目前国内的动力电池性能水准,尤其是高性能动力电池的性能同国外优秀产品存在一些差距;近年来,韩国的三星SDI和LG化学公司在动力电池领域可谓是异军突起,抢占了大量的市场份额。一方面,这两家韩国公司依托自身强大财力,巩固技术及现有市场;另一方面,两家公司有意在锂离子电池领域掀起价格战,意图一举奠定其在动力电池市场中的霸主地位。这对我们中国的锂电行业而言是十分大的冲击,这将迫使我们要更快地提升锂电池技术水平,争取在别的方向上有所突破,才有可能逆转对手,建立起能够服务于国民经济的优质产业。
联系到陈立泉院士提出的新目标,个人认为这一目标的提出能够在一定程度更加促进业内研究人员的工作进度,在高标准下激发创新,更早地实现锂电性能瓶颈的突破。对此,我所能够做到的,只有更为努力的专研材料性能提升工艺,以此为实现目标创造条件。
动力电池正极材料
正极材料能量密度的提升毫无疑问是实现电池能量密度的提升的必由之路。在目前的国际动力电池正极材料市场上,三元材料同橄榄石型磷酸铁锂/磷酸锰铁锂材料旗鼓相当,但橄榄石型材料市场份额多依托于中国国内的市场,在国外市场上,特别是欧洲车企多选用产自日韩厂商的三元层状材料电池。随着电池性能要求的不断提升,橄榄石型正极材料受限于自身特点已无法再实现能量密度的有效提升,三元材料实现市场主导地位可能只是时间的问题。因此国内电池材料企业开始不断加码三元材料的研究,在此次论坛中,我着重关注于国内知名企业盟固利和当升等公司的最新工作成果,从中收益颇丰。
盟固利的代表在演讲中主要介绍了他们对于不同组分的三元材料的性能对比研究。研究的对象包括NCM材料333,532,622,811以及NCA材料。他们对比了不同温度条件,不同充放电制度下各个材料的电化学性能。通过详实的数据,他们的研究表明,尽管目前高镍三元材料是目前的关注热点,并且此前很多研究成果显示尽可能地提升三元材料的Ni含量能够带来更高的放电容量,但是Ni元素在三元体系中含量超过60%时,材料的容量并没有得到有效提升。同时,继续提升Ni元素含量,还会使晶格中c/a数值降低,提升材料结构的无序度,损害材料的循环性能,在相关的研究中也印证了这一点。根据他们的实验数据,他们总结出,无论是在3-4.3V还是3-4.6V充放电范围内,622三元材料都能够有良好的电化学性能发挥。811和NCA材料这两大热门材料只在充电截止电压4.4V以内具有相对较高的放电容量,但是其他方面如倍率性能,容量电压保持率等不如622材料。但是考虑到目前811材料及NCA材料的制备仍然具有一定问题,需要进一步的研究才能确定相对较优的三元材料组分。
当升公司的陈总为我们带来了详实精彩的演讲。在三元材料方面,当升同样也认为622组分能够提供较好的性能。凭借当升公司长久积累的前驱体制备技术,他们能够使622三元材料的二次颗粒粒径D50控制在12μm左右。并且同韩国某竞争对手的样品相比,当升公司制备的622材料在放电容量,倍率性能,容量保持率等方面均占有优势。除了622材料,当升公司也专注于NCA前驱体及材料的制备研究。陈总在演讲中介绍了NCA材料的三种主流合成路径:(1)Ni1-xCox(OH)2表面包覆Al(OH)3后混合锂盐烧结制备NCA材料,该方法工艺复杂,成本高,易导致表面Al含量高,容量低等缺陷;(2)直接制备Ni1-x-yCoxAly(OH)2前驱体后混合锂盐进行制备,这一方法制备材料性能优异,但是前驱体制备技术难度很大;(3)Ni1-xCox(OH)2同Al(OH)3以及锂盐混合烧结制备NCA材料,同(1)方法类似,此方法也易存在Al分布不均,容量保持率等问题。当升方面表示自己已经掌握了NCA材料较为成熟的制备技术,从他们的样品电镜图和电化学性能表现来看也印证了这一点。
在富锂材料方面,由于目前还没有能够稳定量产,因此此次论坛对于富锂材料这方面没有专门的讨论。北京大学的夏定国教授带来了内容丰富的最新国内外富锂材料改性工作的相关研究,指出材料表面进行PO43-包覆能够提升材料循环性能,并同Mg等金属的阳离子相匹配能够一定程度上缓解中值电压下降。但是很遗憾没有能够看到夏定国教授自己的最近研究进展,同时引用文献中材料循环次数较少,很难确定演讲中所提到的方法的实际效果。同时,企业方面对于富锂锰基材料没有展现出很强的信心,盟固利和当升在报告中均有提及富锂材料,但是均为对富锂材料的性能不置可否。考虑到目前富锂材料的发展状况,市面上尚未出现稳定的高性能富锂锰基批量材料很可能是企业未对其加以特别关注的一大原因。因此我们富锂小组的工作显得十分重要,非常有意义,同时也十分急切。
通过此次论坛的学习,我了解到了非常多的行业信息,也得到了很多体会。国内国外目前对于高容量正极材料的需求日趋迫切,而我自身的工作能够让高容量材料的代表—富锂锰基材料实现产业化更进一步。因此作为富锂小组的一员,此次论坛会议会激励我更好地工作和积累,早日完成富锂材料性能优化的相关工作,为组里,为实验室,甚至为锂电行业的发展做出自己的贡献。