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超详细 | 锂电池最新技术介绍

电能配件 2022-12-11 17:52 Au: 能源网讯

电动汽车发展如火如荼,动力电池作为最重要的部分之一,它的发展对电动车的续航和平安有着决议性的作用。最近我们经常听到一些名词比如固态电池、蜂巢能源的果冻电池、蔚来汽车镍55电池、智己汽车掺硅补锂以及CTP/CTC技术等。实在这么多技术偏向,底子目标都是为了进步电池的能量密度和平安性。在这篇文章中,小编带你来梳理下与之相关的技术路径。


提升能量密度和平安性的路径


先思考一个小问题:假如一小我去野外探险,背包装满了食品,那末如何让食品供给更持久呢?最轻易想到的方式一个方面是,装的食品的热量以及密度尽可能高,比如压缩饼干、巧克力等,另一个方面就是公道分派包里面的结构,装尽可能多的食品。


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工程师们挖空心思的为了进步电池包的能量密度,也是用的类似两个路径:电芯密度提升和系统(电池包)密度提升。提升电芯密度相当于食品自己热量更高;系统密度提升相当于背包里面装更多食品。固然在提升能量密度的同时,平安性始终是重中之重。为了进步电池能量密度和平安性,广大的工程师们做出了哪些尽力以及当前出现了哪些新技术呢?现在我们就连系最近的新闻来探讨下。


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1 如何让食品自己的热量更高?——电芯能量密度提升


电芯由三部分组成,正极、负极以及正负极之间的电解质,提升能量密度就从这三方面入手,我们一个个来看。


正极—镍55单晶材料


近期蔚来发布的100kWh电池包,也就是宁德时代此前公布的“只冒烟不起火”电池,在不改变电池包外壳尺微暇和几近不增重的条件下,能量密度提升37%,大幅增加了续航里程。新款电池采用的镍55三元电芯,是能量密度提升的重要因素。它的正极材料是一种高电压的单晶材料。什么是单晶?回答这个问题前,我们先看看正极材料的技术偏向。


所谓“三元”锂电池指的是其正极材料有镍、钴、锰(NCM)三种元素,镍用于提升容量,钴为了稳定结构,锰作用在于下降本钱以及进步材料的结构稳定。镍比例越高、钴和锰比例越少则能量密度越大,但平安性下降。



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为提升能量密度,NCM配比从“111(N:C:M=1:1:1)”,提升到“523”,再到“811”。该线路一直是三元正极材料发展的主流偏向。


另一个偏向对应的就是单晶线路(重点来啦)。新发布的电芯正极使用的是单晶5系材料。单晶材料更适合做高电压。今朝,商业化的三元正极材料大多是由纳米级别一次颗粒团圆形成的10微米左右的二次球型多晶材料。对多晶、单晶没有概念的可以参照一下石英砂与玻璃,两者同样都是二氧化硅,石英砂就是多晶材料,玻璃则可以以为是单晶材料。



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多晶NCM内部存在大量晶界(grain boundary),在电池充放电进程中,由于各向异性的晶格变化,多晶NCM轻易出现晶界开裂,致使二次颗粒发生破裂,比概况积和界面副反应快速增加 (图3),致使电池阻抗上升,性能快速下降。而单晶型三元材料内部没有晶界,可以有效应对晶界破裂及其致使的性能劣化问题[1]。因此,单晶结构可以实现更高的电压,不但如此,还提升了三元材料的循环稳定性,大幅提升了电池平安性。


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这是正极材料,下面看看负极。


负极—“掺硅补锂”技术:


近期有消息称,智己汽车正在与宁德时代配合开辟“掺硅补锂电芯”技术,双方将同享技术专利。智己汽车暗示,这款电池的能量密度较现在行业领先水平降横跨30-40%,最高可实现约1000km续航、20万千米零衰减,这款电池将通过电芯材料配方的优化、成组技术隔热阻燃,以及全铸铝电池包壳体封装技术,连系BMS端云协同治理保证电池平安。


什么是“掺硅补锂电芯”技术?


传统锂离子电池的石墨负极密度较低,为追求高密度,新的负极材料硅碳、硅氧成为企业追逐的新热门。可是硅氧会存在首次效率低,需要补锂的问题。液态锂离子电池首次充放电进程中,电极材料与电解液在固液相界面上发生反应,形成一层覆盖于电极材料概况的钝化层。

这种钝化层是一种界面层,具有固体电解质的特征,是电子绝缘体却是Li+ 的优良导体,Li+ 可以经过该钝化层自由地嵌入和脱出,因此这层钝化膜被称为“固体电解质界面膜”( solid electrolyte interface)简称SEI膜(正极也有层膜形成,只是现阶段以为其对电池的影响要远远小于负极概况的SEI膜)。

硅碳负极补锂工艺是在硅碳负极概况预涂一层锂金属,该涂层与负极慎密接触,在灌注电解液后与负极发生反应嵌入负极颗粒内部,预存一部分锂离子在负极内部,从而填补首次充放电或者循环进程中由于形成或修复SEI膜所需要消耗的Li离子。相比于高难度、高投入的负极补锂工艺,正极补锂就显得俭朴多了,典型的正极补锂的工艺是在正极匀浆的进程中,向其中添加少量的高容量正极材料,在充电的进程中,过剩的Li元素从这些富锂正极材料脱出,嵌入到负极中补充首次充放电的不成逆容量。

通过这种复杂的补锂工艺,可以实现负极材料的密度提升。今朝尚不知道智己汽车具体是哪类技术,但智己汽车将应用这种高端锂电池根基已成定局。


最后看看电芯能量密度提升的最后一环——电解质。


电解质—固态电池 & 果冻电池


当地时间12月8日,由公共和比尔盖茨支持的草创公司QuantumScape公布了其最新固态电池的消息,并暗示电池将于2024年投产。此种固态电池,相较于传统锂离子电池有了明显的改良:它们可以将电动汽车的续航里程进步80%。下面我们来探讨下什么是固态电池,它的益处又是什么。


在进步电池能量密度的同时,电池的平安性是不能不斟酌的问题。从底子上消除锂离子电池的平安隐患仍在于电池材料平安性的进步。

但对于正极材料,这两方面是矛盾的。

比如,前面已经讲到,进步镍含量能够进步能量密度,可是镍含量进步意味着平安性下降.有什么法子从此外方面增强电池的平安性,从而更安心的提升能量密度呢?这时候就要从电解质角度斟酌了。大量研究表白,液态电解质介入了电池热失控进程的大部分反应,并极大下降了电池的初始反应温度,也就是让热失控的门坎变得更低。所以进步电解质平安性是实现电池平安的最有效方式之一。

液态电解质的物理特性决议了其始终无法避免泄露,同时也晦气于缩小电池体积从而提髙能量密度,因此为了进步能量密度和平安性,电解质的固态化就成了趋勢。我们把电极和电解质均为固态的电池称为固态电池。固态电池电芯内部不含液体不但平安性更高,还可实现先串并联后组装,削减了封装壳体用料,PACK设计大幅简化,这也进步了电池成组后的能量密度。


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与传统锂电池类似,固态电池由正极、负极和电解质组成。其结构比传统锂电池简单,固体电解质充任了电解液和隔膜的双重功能。正极材料与传统的锂电池并无本质区别。而负极材料为金属锂负极材料、碳族负极材料和氧化物负极材料。对固态电池来说,固态电解质的研究与开辟最为重要,它的材料种类繁多,主要包括氧化物、硫化物、聚合物以及复合型固体电解质。


除了大范围使用的液态锂电池和正在研究中的固态电池以外,一种半固态的电池-果冻电池-进入人们的视野。2020年12月,蜂巢能源率先发布果冻电池,并接管预定。果冻电池是一种应用了新型果冻状电解质的锂电池,这种凝胶型电解质可以与电极材料的概况更好的贴合,具有自愈合、阻燃等特点,在几近不下降导电性能的同时阻止热分散。果冻电池可以说是液态电池向固态电池发展的一个过渡。


2 如何装的更多?——系统密度提升-电池包新技术



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除了进步电芯能量密度以外,让同样体积和重量的电池包里面装更多的电芯,也是一种进步电池能量密度的方式。这里简单先容下今朝比力新的电池包技术。


去掉内部封装——Cell to Pack (CTP)技术:


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一般电池不但最外部有电池包,内部还有一组一组电芯形成的“模组”,所谓CTP就是无模组化,电芯直接打包,今朝是企业进步能量密度的一个主要选择。宁德时代、比亚迪、蜂巢能源均推出了无模组电池包技术。前一阵子比力火爆的比亚迪刀片电池就是基于磷酸铁锂电池,采用无模组设计进步了空间操纵率。



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内封外包全去掉——Cell to Chassis (CTC)技术:


特斯拉的电池日上,提出了一种结构化电池的方案(structural battery),把电池直接内置在汽车结构中(见龙哥之前的文章《特斯拉电池日信息解读》)。这种结构化电池技术与宁德时代此条件出的CTC技术类似,该技术将电芯和底盘集成在一起,再把机电、电控、整车高压系统通过创新的架构集成在一起,并通过智能化动力域控制器优化动力分派和下降能耗。



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结语


通过以上的先容,相信大师已经对电池相关新技术有了一定的领会。虽然全固态电池的商用,还需要我们耐心的期待,但半固态电池、正极单晶材料以及掺硅补锂技术,相信近期就能被我们体验到了。


参考资料:

1 news.sjtu.edu.cn/jdzh/2

2 nmm.xmu.edu.cn/2017/122

3 《无机/有机复合锂离子电池固态化平安电解质的制备与综合性能研究》


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