《宁德时代攻克动力电池关键核心技术》

  • 来源专题:中国科学院文献情报先进能源知识资源中心 |领域情报网
  • 编译者: guokm
  • 发布时间:2019-05-06
  • 从中国锂离子动力电池龙头企业宁德时代新能源公司获悉,近日该公司研发团队攻克动力电池正极和负极材料等关键核心技术,开发出比能量(质量能量密度)达304Wh/kg的样品,在国际市场上处于领先地位。  

    业内分析认为,目前宁德时代的技术突破已获得实验成功,随着相关的技术逐渐进入市场化应用阶段,将显著提升国产动力电池核心竞争力。  

    据业内介绍,锂离子动力电池是目前应用最广泛的新能源汽车动力电池,但电池的能量密度成为产业化瓶颈。“电池的能量密度,是指电池平均单位体积或质量所释放出的电能。”宁德时代首席科学家吴凯说,“如何进行能量密度的提升,成为制约电池发展的世界性难题。”  

    据透露,锂电池包括正极、负极、电解质、膈膜等多个关键部分,正负极是发生化学反应的地方,相当于人体“任督二脉”。“由于目前负极材料的能量密度远大于正极,正极材料就成了‘木桶的短板’。”吴凯说,提高能量密度就要不断升级正极材料。  

    “批量稳定供应高性能的高镍正极材料是关键技术难点。”吴凯说,为此,宁德时代依托国家工程研究中心,通过与产业链上下游单位的协同开发,逐步实现了国产高镍材料的规模化生产及应用。  

    宁德时代公司还瞄准负极材料的硬伤。目前业内大多采用石墨作为负极材料。随着对续航里程需求的升级,石墨已不能满足市场对电池能量密度的期望,硅基负极材料被看作是“替代者”。  

    “传统硅基材料的应用,主要采用碳包覆技术,但多次循环后包覆的碳材料会破碎、脱落,导致电池循环性能不佳。”吴凯说,宁德时代转向研究人造电解质界面膜包覆技术。历时两年多,开发出具有自主知识产权的新型人造电解质界面膜包覆的硅碳复合负极材料,其循环性能表现显著优于国外产品。

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    • 编译者:guokm
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    • 随着中国新能源汽车市场的快速发展,随着欧洲以碳减排为目标,积极鼓励电动汽车增产扩市,随着日韩车企把目标瞄向氢能源,新能源汽车已然成为汽车产业的新宠。2020年,中国新能源汽车加速从政策主导向市场主导转变,国际汽车巨头发力中国新能源汽车市场,作为新能源汽车最重要的核心部件,动力电池产业的竞争也进入新的阶段。 2020年7月25日,中国电动汽车百人会举办了“动力电池产业整体趋势再研判”的闭门研讨会,来自电池企业的代表与电池方面相关专家就当前动力电池产业发展发表了各自的看法。 高比能量、长续驶里程是车企必然选择 电池成本高、续驶里程短,一直是阻碍电动汽车扩大销量的主要问题。反映在动力电池技术上,则是电池的能量密度决定续驶里程的长短。在能量密度一定的前提下,要延长续驶里程就要多装电池,但电池装多了成本就上升,还会挤压宝贵的车内空间。面对这种两难,尽管提高电池能量密度会带来更多安全问题,但这条路依然成为车企的必然选择。 为了提高能量密度,电池企业积极探索多种形式的创新。包括创新磷酸铁锂模组工艺;寻找正极、负极新材料;推广固态电解质、新型隔膜等。LG化学中国总部副总经理孙兴起将电池技术的新发展概括为三个方面:单体材料的创新、模组结构的创新、制造工艺的创新。中航锂电科技有限公司 CMO谢秋认为,现在行业内探讨的,用结构创新提高电池包的体积能量密度的大电芯、大模组,甚至是无模组结构的总体目标都是一致的,就是通过集成和互用减少一些不增值的结构设计。 比亚迪刀片电池从设计上减少了动力电池无能量部件的使用,在PACK层面提升了磷酸铁锂电池的能量储存密度,使磷酸铁锂电池体积比能量密度提升50%,配装磷酸铁锂电池的电动汽车也达到了500公里以上的续航里程,让这种成本低、安全性好,但能量密度也低的电池焕发了新的生机。 全固态电池是最有可能超过锂离子电池能量密度、简化结构工艺、降低成本的技术路线。宁德时代的刚性膜片及固态锂金属电池专利,使能量密度达400Wh/kg以上,并解决了安全性和循环寿命等难题,提升了固态锂金属电池的循环性和降低短路发生几率。在解决提升电池能量密度和提高电池安全水平这对矛盾方面进行了有益的探索。 目前,中国大部分汽车厂商和新能源厂商都参与到固态电池的研发中。据了解,目前,清陶能源、辉能科技、赣锋锂业、万向一二三、卫蓝新能源、珈伟股份、巨电新能源等锂电企业,均在建固态电池产线。大众、三星、宝马等国际巨头也在寻求固态电池领域的突破。据天津力神总裁助理丁照石介绍,在2020年到2025年期间,企业一直在致力于三元材料中钴含量的降低,甚至在做无钴材料,电解液向固态化方向发展。天津力神判断,固态电池有望2030年后实现商业化。 成本、安全、寿命,关系电动汽车的成败 当前,提升动力电池能量密度、降低成本、提高寿命、保障使用安全,已经成为消费者对电动汽车的基本要求,其中的安全更成为社会关注的焦点。远景AESC中国区总裁赵卫军指出:电动汽车的安全是什么?安全是对边界的认知和把控。宁德时代新能源科技股份有限公司董事长助理孟祥峰也认同这个观点,他认为,电动汽车的安全保障一方面来自于电池本身的安全特性和一致性,另一方面也来自于外部的安全边界控制得好。 中航锂电 CMO谢秋指出:安全是个系统工程,需要从材料、电芯的设计改善、制程的控制和检测技术,还有电池包的安全设计等各个维度去考虑,包括生命周期、充电策略的管控优化。 降低钴用量,探索高镍无钴材料,以降低电池成本;探索电池补锂技术,结合热管理和BMS窗口控制技术,以开发长寿命电池;大力开发固态电池,以提高电池安全性,正成为电池企业积极探索的方向。 6月初,宁德时代宣布研发出16年超长寿命或200万公里行驶里程,成本相比当前电池仅增加不超过10%的新技术,这一技术适用于磷酸铁锂和三元电池。孟祥峰指出,追求高能量密度、追求高续航的方向没有错,那是未来新能源汽车和电池竞争的关键点,但是要把安全问题解决好。 据中国汽车技术研究中心首席专家王芳介绍,去年,国家成立了新能源汽车事故调查专家组。专家们在调查中发现,有两大类原因导致新能源汽车事故的发生。第一类原因比较简单,就是产品存在着明显的设计缺陷。第二类则找不到明显的设计缺陷,造成事故的原因都是不同的,涉及到从原材料选择、电池研发制造到系统集成诸多方面、各个环节。她总结说,电动汽车的安全问题也是一个系统工程,应该与技术革新关联起来。 三院士建议:加强基础技术研究,寻找颠覆性创新 针对未来动力电池发展,会议上三位院士给出了各自的建议。 中国工程院院士吴锋提出,我国动力电池产业发展多年,有了很大进步,但还有产生颠覆性创新的空间。要将学校、研究单位和企业联合起来,建立一种新型合作关系,从材料体系、电池体系、制造工艺等方面进行较大创新,才能提高动力电池本身的智能化,制造电池过程的智能化水平。这些都需要得到国家的重点支持。 中国工程院院士陈立泉建议关注钠离子电池的发展。他介绍,钠离子电池有很多优点,比如正负极都可以采用铝箔,能大幅降低电芯和模组的工艺要求,双极性电池也容易做成。这样可以让钠离子电池脱离锂离子电池的技术路线走出一条新路。我国钠资源很丰富,可以规避锂资源依赖进口的风险,同时其成本比磷酸铁锂还低。 这些优势可以使其拓展两个应用领域:第一是给低速电动车用,低速电动车的一大问题就是使用低成本铅酸电池带来的污染,而在低速电动车上大规模推广磷酸铁锂和锂电池又受到成本的制约;第二是资源丰富和低成本的优势,可以使其应用在大规模储能上。据他介绍,两年前,中国科学研究院物理研究所已在低速电动车上进行了钠离子电池的试验,去年做了储能演示装置的试验。 中国科学院院士、中国电动汽车百人会副理事长欧阳明高表示,动力电池的产品开发、技术攻关、颠覆创新三方面同等重要,三条线要并行发展。基础研究的目标是动力电池单体比能量达到500瓦时/公斤,系统比能量达到300瓦时/公斤,体积密度达到1000瓦时/升。他特别指出,下一步的重点是挖潜电池理论容量和比能量,要依靠全链条的智能化,包括材料开发的基因组、仿真、大数据等等来实现。还要支持0—1原创的颠覆性技术开发,支持基础技术研究。
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    • 来源专题:中国科学院文献情报先进能源知识资源中心 |领域情报网
    • 编译者:guokm
    • 发布时间:2019-04-17
    • 作为纯电动汽车最核心的零部件之一,动力电池对车辆的续航里程、整备质量、动力表现、操控性能等息息相关。在纯电动汽车的制造成本方面,电池的占比也最高,普遍在30%以上,这导致了电动汽车较高的售价以及后期维护成本。因此,降低电池的单位成本,以及增加电池的能量密度,一直是电动汽车技术发展的主要方向。 对原本就是以电池起家的比亚迪来说,高性能电池是比亚迪的杀手锏之一。尤其是在换装了能量密度更高、放电电压更高、低温性能更好的三元锂电池后,比亚迪EV车型系列的核心竞争力更是得到大幅提高。我们将对比亚迪秦Pro EV500车型的电池包进行全面拆解,并解析比亚迪所掌握的电池包安全设计、热管理设计等创新及管理技术。 方形铝壳集成工艺 在揭开电池包的超薄非金属上盖,以及二氧化硅气凝胶防火隔热层之后,我们可以清楚地看到电池包整体的布置结构,其中最直观可见的便是电池包的集成工艺。集成工艺在动力电池的研发中非常重要,必须满足机械防护、热安全防护、热管理、环境防护等全方面安全要求的前提下,追求轻量化及优化成本。与特斯拉所采用的圆柱型电芯方式不同,比亚迪采用了国内普及率更高的方形铝壳,具有能量密度高,集成难度低的优势。另外,方形的封装工艺,也有助于缩小电芯间的缝隙,让整体尺寸更加紧凑,而圆柱电芯必然要在电芯间留出三角形的空隙,降低了空间利用率。 镁铝合金材质打造的电芯壳体,与圆柱型电池所采用的不锈钢壳体相比,更轻成本更低,有利于提高电芯的能量密度,而且制造成本也更低。而且方壳的结构可以容纳更多电解液、电芯极片膨胀应力更低,电池寿命比圆柱形长2倍以上。 电池模组 秦Pro EV500采用了比亚迪自主研发的镍钴锰三元电池,也就是在钴酸锂基础上,经过改进,以镍钴锰作为电池正极材料,并合理配比镍钴锰的比例。在优化成本、保证安全的同时,使得电池具有容量高、热稳定性能好、充放电压宽等优良的电化学性能。 并且有效提高电池能量密度,达到160.9Wh/kg,结合56.4kWh的容量。实现NEDC续航里程420km,60km/h等速续航里程500km,从而有效缓解用户在续航里程方面的忧虑。并且得益于电池组的高能量密度,有效降低汽车的电池装载量,从而减轻汽车的自重。 电池模组的成组方式充分考虑到了散热和轻量化的需求,采用两侧铝制短板加弹性钢带捆扎的方式,自适应电池在充放电过程中的膨胀。同时多种规格的模组可以实现灵活的布局,适应不同车型的需要。在车体中部尽量扁平,单层布局,增加车内高度空间。 在细节设计上,主回路连接和它信号采集的部分使用了铝巴,在同样导电能力的情况下,重量相比使用铜材质可以降低一半以上,而且成本也能得到控制。 不过我们发现在引出极上采用了铜排而非铝排,这是因为铝排的硬度较低,在高温、高应力的情况下,铝会发生塌缩,并且塌缩之后不易回弹,一热一冷就会导致缝隙加大,接触电阻上升,带来安全隐患。 而在铜铝不同材质的连接上,比亚迪采用了一种叫做电磁脉冲焊的技术。相对于现在常用的铜铝直接碾压连接或超声波焊接技术,电磁脉冲焊的工艺难度比较大,虽然成本也会相应提高,但效果是最好的,是目前比较先进的技术。 在每一个电池极柱和极柱之间,也用激光把铝制汇流排和极柱熔焊在一起,保证可靠性。并且在汇流排上设计有一个凹陷,用来吸收机械振动以及电击膨胀带来的应力。而如果是直铝巴,随着电池的老化膨胀,相邻电池的极柱间距会增大,拉伸应力会影响焊点的可靠性。 在信号连接的部分,比亚迪采用了柔性电路板,相对于传统采样线束的方案,集成度更高,也更轻薄。如果仔细观察,会发现柔性电路板上有细丝状的布线,我们称之为采样线熔断线。它的作用是在碰撞时,可能会挤压采样线束造成短路,进而引起采样线起火,这些细丝便会在短路时由于过流而发生熔断,从而切断短路回路,确保整个线束的安全和电池模块的安全。 电池管理系统 由于采用了锂电池,为了保证电池始终处在一个比较合适的温度范围内进行工作,比亚迪为其配备了一套独立的电池智能温控管理系统,以确保动力电池在复杂的温度环境之下可以获得稳定可靠的性能。这套智能温控管理系统通过液体介质保温和降温,能有效保证电池温度均一性。 在冷却方式上,比亚迪在电池内增加了散热回路,通过板式换热器与空调回路相连,电池进出水和电池级耳处都布有温度传感器,结合电池温度实时调节空调压缩机的功率来控制电池进水温度及流量,以此来控制电池温度在适宜工作温度。 在加热方式上,比亚迪在电池散热回路里串联PTC水加热器,通过调节水加热器的功率,控制进水温度及流量,以此来控制电池在冬季也能工作在适宜温度,确保充电速度和放电动力性。 并且通过电池管理系统BMS,实时监测电池状态,对低温、过充、过放、过温等进行保护,从而延长电池寿命。当温度过低或过高时,会限制充放电功率,而当温度严重过低或过高时,会禁止充放电,从而保护电池。 蛇形水冷扁管 用来冷却以及加热的水道管路布置在不同电池模组的底部或者侧面,同时我们注意到,电池包中的水管采用了与特斯拉相同的口琴管,这种口琴管很薄,壁厚在0.8-1mm,相比于传统的壁厚为1.6-2mm的铝合金水管,重量上要轻不少。 比较有特色的是,秦Pro EV500上所采用的这种横向弯折蛇形设计相比于特斯拉,可以说是采用了同样的技术路线,但从工艺角度上讲更难,尤其是在弯曲部分的外圈,材料内外侧的拉伸率相差比较大,容易发生褶皱和裂纹,对材料以及工艺的要求非常高。 这样做的好处也是显而易见的,特斯拉管路是为了从侧面“包住”电池,但问题是圆柱形电池与散热管路的接触面几乎是一条直线,效率较差,这也是为什么在最新的21700(Model3采用)电池模组中采用了整体灌胶方式,只能牺牲“重量”换“热量”。比亚迪的管路设计与方形电池配合较好,管路完全贴在电池侧壁,最大化接触面积。 这种设计既保证了每块电芯都能被冷却到,同时相对于用整块铝板设计的冷却水道,实现了非常好的轻量化效果。这在整个行业上属于领先的技术,对比亚迪来说完成了一个挑战。 组装工艺 整个电池包在总装的过程中,对工艺的控制非常完美。特别是在每一个水冷管的连接点,每一个接插件的连接点,每一个高压电气的连接点,以及结构固定的点上面基本上都有两到三道确认。 举个例子,一些低压的接插件负责电池的信号采集,如果BMS系统丢失了单体电压信号或者单体温度信号,就不能继续可靠地工作,也就无法完全保证电池的安全。 一般的接插件只有一个锁扣,锁紧之后会有锁止声音作为提示。而比亚迪不仅有声音作为确认,同时还有一个副锁扣,只有一级锁扣接插到位时,才可以将副锁扣闭合,两级的锁止设计非常到位。 另外,高压电器的连接也是整个电池包组装中最核心最关键的一点,尤其是在主回路连接的可靠性和低内阻设计上。比亚迪的电池包在主回路的长距离连接上采用了耐高温的聚酰亚胺压封的铜排,并且设计了很多立体弯折,从而在受到振动,或是受热膨胀时,通过这些弯折来吸收长度的变化,避免将载荷转移到连接螺钉上。 虽然从接触内阻的角度来讲,单螺钉的接触内阻就满足发热要求。但比亚迪依然坚持用双螺钉的设计方案,从而大幅提高可靠性。而且在螺钉的拧紧确认上,我们发现有三种颜色的色标,这意味着进行了三遍确认。第一遍为自动拧紧轴拧紧,并打上红色标记,后两遍为人工利用扭矩扳手复检,分别打上黄色和白色标记。 另外,整个电池包内的大部分管线都采用了尼龙网状编制管套,特别是与电池包壳体及内部器件接触的管线,在保护线束,避免磨损的同时,也起到降低噪音的作用。 总结 总的来说,比亚迪秦Pro EV500在整个电池包的轻量化和可靠性上做了非常多的努力,并且通过改良电芯配比、优化电池管理系统以及主动热管理技术,提高电池的能量密度,从而提高车辆的动力、操控以及续航性能。 尤其是在安全性方面的设计上,比亚迪的工程师们考虑得更是细致,从而最大程度保护用户的行车安全。以上这些,都体现出比亚迪在电池研发领域所具有的技术优势以及发展空间,可以说引领了行业技术发展方向。