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《【ACS Nano】增强的正极材料可以扩展电动汽车驱动范围》

  • 来源专题：新能源汽车
  • 编译者： 王晓丽
  • 发布时间：2025-02-19

  • 一个研究小组开发出了先进的阴极材料，这是电动汽车电池的关键组成部分。他们的研究成果将为高容量、高安全性锂离子电池材料的开发揭开新的篇章。他们的论文发表在 ACS Nano 杂志上。

    正极材料是锂离子电池的关键组成部分，因此是电池主要性能指标的重要决定因素，包括容量、寿命、功率输出特性和稳定性，以及锂离子的存储和电能的输送。镍含量较高的镍钴锰（NCM）阴极材料具有优势，因为它们能比传统材料储存更多的能量，从而能显著增加电动汽车的行驶里程。

    但问题是，这些材料的镍含量较高，在反复充电和放电过程中会产生微粒裂纹，导致容量迅速降低，而且伴随而来的大量气体排放也有损安全性。

    为解决这一问题，研究团队分析了富镍 NCM 阴极材料性能下降和气体排放的原因。他们利用先进的分析技术，包括透射电子显微镜和表面分析，观察阴极材料内部的变化，发现在初始充电电压较低时，表面会形成纳米级孔隙，从而导致电池性能下降。

    此外，研究小组还证明，不使用传统的复杂掺杂或表面处理工艺，提高初始活化充电电压的简单方法就能有效防止阴极材料的结构崩溃。他们的研究证实，设置较高的初始电压有助于防止电池性能下降。

    原文链接： Sungmin Na et al, Formation Cycle Control for Enhanced Structural Stability of Ni-Rich LiNixCoyMn1-x-yO2 Cathodes, ACS Nano (2025). DOI: 10.1021/acsnano.4c10476

  • 原文来源：https://techxplore.com/news/2025-02-cathode-materials-electric-vehicle-range.html
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  • 《攻克高镍三元材料 给电动汽车续航》
    • 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：2018-11-29
    • “这车能跑多少公里啊？”“充一次电要多长时间？”“电池是否安全？” 近日，在北京的一家新能源汽车4S店里，前来买车的一家人围着销售经理刘利不停地问着自己关心的问题。“现在大家在买新能源汽车时，询问最多的就是有关续航里程、充电时间、冬天好不好充电的问题。”刘利说。 动力锂电池已经成为电动汽车性能对比的标杆。然而，很多人不知道，决定锂电池性能的关键是正极材料。 “正极材料才是动力锂电池最为关键的原材料，它的性能直接决定了锂电池的主要性能指标，在总成本中占据30%以上的比例。”北京当升材料科技股份有限公司副总经理陈彦彬告诉记者。 长期以来，缺乏高性能的正极材料是我国新能源汽车及其动力锂电池产业发展的“痛点”。作为国内专注于锂电正极材料研发的上市公司技术创始人，陈彦彬率领研发团队于2014年在国内率先开发成功并量产的车用动力锂电正极材料，其具有比容量高、循环寿命长、压实密度高、低温性能优异等四大性能优势，相应的动力电池单体能量密度达到230Wh/kg，循环寿命达到4000次，低温充放电性能优势也十分突出，已成为国内外高端电动车用动力锂电池的首选正极材料。在2017年度北京市科学技术奖评选中，该项目荣获二等奖。 高镍型高能量，电动汽车长续航 据了解，目前已经商业化应用的锂电池正极材料包括钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂和NCM(镍钴锰)三元材料等产品。国内电动汽车发展初期，动力电池由采用磷酸铁锂正极材料的电池主导，虽然这种正极材料制作的电池的循环寿命较好，但能量密度比较低，这就导致电动汽车的续航里程相对较短。 “能量密度、循环寿命、高温存储稳定性、低温特性、安全性、成本是动力锂电池的几项关键指标。”陈彦彬说。 随着乘用车对长续航里程的需求越来越迫切，必须开发更高能量密度的锂电池正极材料。 “高镍三元材料可以显著提升锂电池的能量密度,在单位体积或单位重量的电池中可储存的电量更多,因而逐渐成为乘用车动力电池市场的主流。”陈彦彬说，从技术角度来看，三元材料能量密度、输出特性、循环寿命、存储稳定性、安全性等主要性能指标相对而言比较均衡，因此是未来动力电池正极材料的主流方向。 与常规三元材料NCM111、NCM523相比，NCM622比容量高，用其制作的电池能量密度可达到230Wh/kg以上。 “更高镍含量的NCM811和NCA尽管能量密度高，但制备难度大、生产成本高、安全风险大，目前主要用于小尺寸的圆柱电池（5Ah以下），应用于大型的方形电池和铝塑膜软包装电池（50Ah以上）还面临诸多的技术挑战。”陈彦彬说，“因而NCM622是当前乃至未来几年内高端大型动力电池的首选正极材料。” 相关资料显示，2018年大众、宝马在其配套的动力电池选择上，采用了高镍NCM622，未来会采取更高镍含量的三元材料。动力电池企业中，包括松下、LG、SK、三星等国际企业都在向高镍三元材料动力锂电池进军。 在国内市场，无论是北汽新能源、比亚迪、吉利、众泰等主流电动车企，还是宁德时代、孚能、卡耐、捷威动力等主流的动力电池企业，都在加大高镍三元电池的开发和应用。 “从未来市场趋势来看，电池单体的能量密度要达到280Wh/kg，甚至300Wh/kg以上，所以高镍三元材料的应用将会成为一个长期的主流趋势。”陈彦彬说道。 攻难关破瓶颈，掌握关键技术 然而，NCM622材料的开发并不容易。 “做高能量密度的三元材料，通过高镍化或者提高工作电压，把能量密度做上去很容易，但是它的循环寿命、高温存储特性会比较差，同时它的安全风险也在加大，要解决这些问题的技术难度很大。”陈彦彬说。 目前国际上只有少数技术领先的公司进行了动力锂电高镍三元NCM622的开发，现在也仅有三五家实现量产。国内大部分公司开发的NCM622材料碱性杂质含量高、循环性能差、热存储稳定性差，尚不能用于高端动力锂电池的生产。 “对三元材料来讲，很大的一个问题就是因团聚体颗粒的断裂、粉化所产生的‘孤岛’不能参与充放电过程，形成的裂缝新界面还会发生更多的副反应，这些会导致锂电池综合性能的下降。要想有稳定的颗粒结构和优秀的综合性能，就要从前驱体开始进行全流程系统设计。”陈彦彬说。 陈彦彬带领研发团队，系统开发了高镍材料制备的诸多关键技术，包括前驱体沉淀技术、烧结工艺、掺杂技术、表（界）面协同修饰技术，增强了颗粒体相结构、表面与内部界面稳定性，使材料的循环寿命、存储性能和安全性有一个大幅度的提升。 通过对关键工艺技术的不断改进，陈彦彬带领团队攻克了高镍三元材料产品的众多行业关键难题，建立了一整套处于行业领先水平的产品设计及其清洁高效制造技术。 首先采用硫酸盐体系连续法合成一定规格的高密度球形前驱体，所得的前驱体具有特定的粒度分布，良好的球形度、结晶度、内部结构和颗粒强度，有利于制备综合性能优异的三元材料。 进一步，将前驱体与碳酸锂通过高效混合设备快速混合，在一定的烧结温度曲线以及气氛条件下进行高温烧结，使锂盐与前驱体充分接触并完全反应。烧结料经过粉碎、分级，制备出微米级的超细粉体，再经过多元素、多物相的表（界）面协同改性处理，大幅提升了材料的稳定性，有效抑制了电解液在正极表面的氧化分解和对正极材料的侵蚀溶解等副反应，达到提升材料结构稳定性和化学稳定性的目的，最终制备出综合性能优异的NCM622材料。 对于企业而言只有将实验室的研究成果产业化才能实现其商业价值。当升科技的研发团队通过不断优化改进制备工艺技术及设备，率先设计并建立了全自动大产能全密闭的前驱体清洁高效生产线和正极材料生产线。 “这是国内首条大产能、自动化、无断点、全密闭的前驱体生产线和正极材料生产线，设备流程采用立体布局，最大程度的利用重力作用来减少物流成本和人工；碱液、洗水实现了梯次利用，生产单耗大幅度降低；烧结窑炉单线产能比原来翻了倍，单位产品的能耗、人工等大幅度降低。”陈彦彬说。 工程化产业化，成果转化促发展 我国锂电正极材料行业从起步到现在才不过十余年的时间。在锂电正极材料的制备技术方面，整个行业的技术水平不高。 项目团队所研发的高能量密度NCM622正极材料，实用电池的常温充放电寿命可达4000次以上，远高于国际同行2200次的水平，高低温性能、安全性也大幅提高，该产品在2014年研发成功并出口国际高端锂电市场，并在中高端电动汽车上大规模应用。 该项技术的产业化不仅满足了高端锂电材料的市场需求，同时也推动了国内锂电正极材料工艺技术从传统制造向清洁高效自动化智能化的方向发展。目前，当升科技已拥有国际前十大锂电客户，是全球同时向中、日、韩高端锂电池企业提供高品质锂电正极材料的两家供应商之一，对促进行业整体水平的提高起到了示范引领作用。 项目的研发历程也是近年来北京市高新技术企业科技创新的一个缩影，在北京市“10+3”高精尖产业发展政策的指引下，这些科技型企业紧密结合首都发展新形势和产业发展新趋势，把技术创新作为发展战略的核心，不断增强创新能力和核心竞争力，为北京建设具有全球影响力的全国科技创新中心贡献了重要力量。（记者申明）
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  • 《功率半导体持续进化：碳化硅材料快速增长，汽车缺芯问题存在误解》
    • 来源专题：光电情报网信息监测服务平台
    • 编译者：husisi
    • 发布时间：2022-04-20
    • 功率半导体是电子装置中电能转换与电路控制的核心，通过利用半导体的单向导电性实现电源开关和电力转换。大部分情况下，电能往往无法直接使用，需由功率半导体器件进行功率变换以后才能供设备使用。 目前，国内生产功率半导体的企业包括士兰微（600460.SH）和斯达半导（603290.SH）等。士兰微董事会秘书办人士于4月14日告诉记者，从普通的家电到高铁都会用到功率半导体，不同产品应用的功率范围不一样。目前功率半导体的主要发展趋势之一是耐压越来越大。 斯达半导在4月9日发布的2021年年报中表示，随着世界各国对节能减排的需求越来越迫切，功率半导体器件已从传统的工业控制和4C(通信、计算机、消费电子、汽车)领域迈向新能源、新能源汽车、轨道交通、智能电网、变频家电等诸多产业。功率半导体的发展使得变频设备广泛的应用于日常的消费，促进了清洁能源、电力终端消费、以及终端消费电子的产品发展。 近年来，汽车产业频频传出“缺芯”的问题。而上述士兰微人士认为，汽车“缺芯”的问题存在误解。某些环节的芯片在某些时候会出现短暂的供不应求，不过这个问题被放大了。 士兰微2021年年报信息显示，该公司2021年营业收入为71.94亿元，同比增长68.07%；归属于上市公司股东的净利润为15.18亿元，同比增长2145.25%。而根据斯达半导的年报，该公司2021年营业收入约为17.07亿元，同比增长77.22%；归属于上市公司股东的净3.98亿元，同比增长120.49%。 IGBT成为代表性产品碳化硅材料快速增长 上述士兰微人士告诉记者，功率半导体的功能可以理解为主要用于调节电压电流。功率半导体应用于不同的电子器件，包括从普通的家电到高铁等。不同器件的功率范围不一样，而应用于家电的和用于高铁的属于不同的级别。 斯达半导也在年报中介绍称，功率半导体主要用于电力设备的电能变换和电路控制，是进行电能处理的核心器件，是弱电控制与强电运行间的桥梁,细分产品主要有MOSFET、IGBT、BJT等。（MOSFET：金属氧化层半导体场效晶体管，是高输入阻抗、电压控制器件；BJT：双极型晶体管，是低输入阻抗、电流控制器件；IGBT：绝缘栅双极型晶体管，是由BJT和MOSFET组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件） 斯达半导表示，IGBT是目前发展最快的功率半导体器件之一。受益于工业控制、新能源、新能源汽车等领域的需求大幅增加，中国IGBT市场规模将持续增长。到2025年，预计中国IGBT市场规模将达到522亿人民币，年复合增长率达19.11%，是细分市场中发展最快的半导体功率器件。2021年，IGBT模块的销售收入占斯达半导主营业务收入的94%以上，是公司的主要产品。 士兰微人士向记者介绍称，从形态上来看，功率半导体有芯片和模块两种形态，模块是多个芯片和电子器件形成的组合。比如，IGBT是电源的辅助装置，功耗往往都比较高，用于分配调节电压电流。在新能源汽车中，每个电驱会用到一个IGBT模块。 斯达半导则表示，IGBT作为一种新型功率半导体器件，是国际上公认的电力电子技术第三次革命最具代表性的产品，是工业控制及自动化领域的核心元器件。其作用类似于人类的心脏，能够根据装置中的信号指令来调节电路中的电压、电流、频率、相位等，以实现精准调控的目的。因此，IGBT被称为电力电子行业里的“CPU”，广泛应用于新能源、新能源汽车、电机节能、轨道交通、智能电网、航空航天、家用电器、汽车电子等领域。 功率半导体还应用于光伏的逆变器，光伏逆变器的主要功能为将太阳能电池组件产生的直流电转化为交流电，并入电网或供负载使用。安信证券分析师马良在近日的研报中称，IGBT广泛应用于光伏逆变器中，占逆变器价值量的20%-30%。以往光伏逆变器中的功率器件一般采用MOSFET，而MOSFET的通态电阻会随着电压的升高而增大，增加开关损耗，逐渐不适合使用于高压大容量的系统中。IGBT因其通态电流大、耐高压、电压驱动等优良特性，在中、高压容量的系统中更具优势，目前已逐渐取代MOSFET作为光伏逆变器和风力发电逆变器的核心器件。 功率半导体的材料也在发生变化。根据斯达半导的介绍，近年来，以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)等材料为代表的化合物半导体因其宽禁带、高临界击穿电场等优异的性能而备受关注。其中碳化硅功率器件受下游新能源汽车等行业需求拉动，市场规模增长快速。（记者注：禁带宽度是半导体的一个重要特征参量，反映了半导体中价电子被束缚强弱程度的一个物理量） 根据马良的介绍，碳化硅材料热导率以及禁带宽度高于硅材料，采用碳化硅器件可减小逆变器的体积和重量。碳化硅的导热率是硅的3.3倍，且禁带宽度为硅的3倍，保证碳化硅可以在更高温度环境下工作。半导体材料的禁带宽度决定其器件的工作温度，材料禁带宽度的值越大，器件的工作温度也就越高。在高达600摄氏度的温度下，碳化硅器件仍然可以正常工作。硅在175摄氏度左右就无法正常运行，在200摄氏度时会变成导体，而碳化硅直到1000摄氏度左右才发生这种情况。 斯达半导表示，2021年该公司在机车牵引辅助供电系统、新能源汽车行业、光伏行业推出的各类碳化硅模块得到进一步的推广应用。士兰微也表示，该公司碳化硅功率器件的中试线已在2021年上半年实现通线。目前，该公司已完成车规级SiC-MOSFET器件的研发，正在做全面的可靠性评估，将要送客户评价并开始量产。士兰微目前在厦门公司建设一条6英寸碳化硅功率器件芯片生产线，预计在2022年三季度实现通线。 缺芯问题被误解？相关产品研发生产扩张中 自去年以来，汽车产业频繁出现“缺芯”消息。而上述士兰微人士却向记者表示，大家对汽车缺芯的问题可能有些误解。 该人士认为，芯片分为很多种类，不同的芯片用于不同的场景和环节。可能某些环节的芯片在某些时候会出现短暂的供不应求，不过这个问题被放大了。而且功率半导体的产线比较复杂，和普通产品的产线不同，每年产能并不是固定的。 “整个芯片产业有上万亿元，首先要搞清楚缺的是什么‘芯’。只是泛泛地用‘缺芯’这样一个词语来形容目前汽车芯片产业的状况其实没有意义。”该人士表示。 关于功率半导体的产线，斯达半导在年报中称，生产环节主要分为芯片和模块设计、芯片外协制造、模块生产三个阶段。比如，在芯片和模块设计阶段，公司完成IGBT等功率芯片和功率模块的设计；在芯片外协制造阶段，公司根据阶段一完成的芯片设计方案委托第三方晶圆代工厂制造自主研发的芯片，公司在外协制造过程中提供芯片设计图纸和工艺制作流程，不承担芯片制造环节；在模块生产阶段，公司将单个或多个功率芯片用先进的封装技术封装在一个绝缘外壳内。 而相比之下，士兰微采用的是“设计制造一体”(IDM)的经营模式。士兰微在年报中表示，作为IDM公司，该公司带有资产相对偏重的特征，在外部经济周期变化的压力下，也会在一定程度上承受经营利润波动的压力。但是相对于轻资产型的设计公司，该公司在特色工艺和产品的研发上具有更突出的竞争优势，实现了特色工艺技术与产品研发的紧密互动，以及集成电路、功率器件、功率模块、微机电控制系统传感器、光电器件和化合物芯片的协同发展。 根据斯达半导的年报，2021年该公司生产的应用于主电机控制器的车规级IGBT模块合计配套超过60万辆新能源汽车，其中A级及以上车型配套超过15万辆。同时，该公司的车用空调、充电桩、电子助力转向等半导体器件份额也有所提高。 “2021年公司生产的应用于主电机控制器的车规级IGBT模块开始大批量配套海外市场，预计2022年海外市场份额将会进一步提高。”斯达半导表示。 上述士兰微人士告诉记者，功率半导体的主要发展趋势之一是耐压越来越高。斯达半导也在年报中表示，2021年该公司在650V、750V以及1200V车规级IGBT的研发生产上均有突破。士兰微在年报中亦表示，2021年该公司自主研发的第五代IGBT和FRD芯片的电动汽车主电机驱动模块，已在国内多家客户通过测试，并已在部分客户批量供货。目前公司正在加快汽车级和工业级功率模块产能的建设。（记者注：FRD指快恢复二极管，是一种具有开关特性好、反向恢复时间短特点的半导体二极管） 根据士兰微的年报，2021年该公司分立器件（具有单独功能且功能不能拆分的电子器件，功率半导体属于分立器件的一类）产品的营业收入为38.13亿元，较上年增长73.08%。分立器件产品中，MOSFET、IGBT、IGBT大功率模块、肖特基管、稳压管、开关管、TVS管（瞬态二极管）、快恢复管等产品的增长较快。 除了新能源汽车、光伏领域之外，功率半导体还广泛应用于家电中，比如IPM(智能功率模块)。士兰微介绍称，2021年公司IPM模块的营业收入突破8.6亿元人民币，较上年增长100%以上。目前，该公司IPM模块已广泛应用到下游家电及工业客户的变频产品上，包括空调、冰箱、洗衣机，油烟机、吊扇、家用风扇、工业风扇、水泵、电梯门机、缝纫机、电动工具，工业变频器等。2021年国内多家主流的白色家电整机厂商在变频空调等家电上使用了超过3800万颗士兰微的IPM模块，较上年增加110%。
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