攻克高鎳三元材料 給電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航

鋰電池生產(chǎn)

NCM三元材料掃描電鏡圖

“這車能跑多少公里啊?”“充一次電要多長(zhǎng)時(shí)間?”“電池是否安全?”

近日，在北京的一家新能源汽車4S店里，前來買車的一家人圍著銷售經(jīng)理劉利不停地問著自己關(guān)心的問題。“現(xiàn)在大家在買新能源汽車時(shí)，詢問最多的就是有關(guān)續(xù)航里程、充電時(shí)間、冬天好不好充電的問題。”劉利說。

動(dòng)力鋰電池已經(jīng)成為電動(dòng)汽車性能對(duì)比的標(biāo)桿。然而，很多人不知道，決定鋰電池性能的關(guān)鍵是正極材料。

“正極材料才是動(dòng)力鋰電池最為關(guān)鍵的原材料，它的性能直接決定了鋰電池的主要性能指標(biāo)，在總成本中占據(jù)30%以上的比例。”北京當(dāng)升材料科技股份有限公司副總經(jīng)理陳彥彬告訴記者。

長(zhǎng)期以來，缺乏高性能的正極材料是我國(guó)新能源汽車及其動(dòng)力鋰電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展的“痛點(diǎn)”。作為國(guó)內(nèi)專注于鋰電正極材料研發(fā)的上市公司技術(shù)創(chuàng)始人，陳彥彬率領(lǐng)研發(fā)團(tuán)隊(duì)于2014年在國(guó)內(nèi)率先開發(fā)成功并量產(chǎn)的車用動(dòng)力鋰電正極材料，其具有比容量高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、壓實(shí)密度高、低溫性能優(yōu)異等四大性能優(yōu)勢(shì)，相應(yīng)的動(dòng)力電池單體能量密度達(dá)到230Wh/kg，循環(huán)壽命達(dá)到4000次，低溫充放電性能優(yōu)勢(shì)也十分突出，已成為國(guó)內(nèi)外高端電動(dòng)車用動(dòng)力鋰電池的首選正極材料。在2017年度北京市科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)評(píng)選中，該項(xiàng)目榮獲二等獎(jiǎng)。

高鎳型高能量，電動(dòng)汽車長(zhǎng)續(xù)航

據(jù)了解，目前已經(jīng)商業(yè)化應(yīng)用的鋰電池正極材料包括鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰和NCM(鎳鈷錳)三元材料等產(chǎn)品。國(guó)內(nèi)電動(dòng)汽車發(fā)展初期，動(dòng)力電池由采用磷酸鐵鋰正極材料的電池主導(dǎo)，雖然這種正極材料制作的電池的循環(huán)壽命較好，但能量密度比較低，這就導(dǎo)致電動(dòng)汽車的續(xù)航里程相對(duì)較短。

“能量密度、循環(huán)壽命、高溫存儲(chǔ)穩(wěn)定性、低溫特性、安全性、成本是動(dòng)力鋰電池的幾項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)。”陳彥彬說。

隨著乘用車對(duì)長(zhǎng)續(xù)航里程的需求越來越迫切，必須開發(fā)更高能量密度的鋰電池正極材料。

“高鎳三元材料可以顯著提升鋰電池的能量密度,在單位體積或單位重量的電池中可儲(chǔ)存的電量更多,因而逐漸成為乘用車動(dòng)力電池市場(chǎng)的主流。”陳彥彬說，從技術(shù)角度來看，三元材料能量密度、輸出特性、循環(huán)壽命、存儲(chǔ)穩(wěn)定性、安全性等主要性能指標(biāo)相對(duì)而言比較均衡，因此是未來動(dòng)力電池正極材料的主流方向。

與常規(guī)三元材料NCM111、NCM523相比，NCM622比容量高，用其制作的電池能量密度可達(dá)到230Wh/kg以上。

“更高鎳含量的NCM811和NCA盡管能量密度高，但制備難度大、生產(chǎn)成本高、安全風(fēng)險(xiǎn)大，目前主要用于小尺寸的圓柱電池(5Ah以下)，應(yīng)用于大型的方形電池和鋁塑膜軟包裝電池(50Ah以上)還面臨諸多的技術(shù)挑戰(zhàn)。”陳彥彬說，“因而NCM622是當(dāng)前乃至未來幾年內(nèi)高端大型動(dòng)力電池的首選正極材料。”

相關(guān)資料顯示，2018年大眾、寶馬在其配套的動(dòng)力電池選擇上，采用了高鎳NCM622，未來會(huì)采取更高鎳含量的三元材料。動(dòng)力電池企業(yè)中，包括松下、LG、SK、三星等國(guó)際企業(yè)都在向高鎳三元材料動(dòng)力鋰電池進(jìn)軍。

在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，無論是北汽新能源、比亞迪、吉利、眾泰等主流電動(dòng)車企，還是寧德時(shí)代、孚能、卡耐、捷威動(dòng)力等主流的動(dòng)力電池企業(yè)，都在加大高鎳三元電池的開發(fā)和應(yīng)用。

“從未來市場(chǎng)趨勢(shì)來看，電池單體的能量密度要達(dá)到280Wh/kg，甚至300Wh/kg以上，所以高鎳三元材料的應(yīng)用將會(huì)成為一個(gè)長(zhǎng)期的主流趨勢(shì)。”陳彥彬說道。

攻難關(guān)破瓶頸，掌握關(guān)鍵技術(shù)

然而，NCM622材料的開發(fā)并不容易。

“做高能量密度的三元材料，通過高鎳化或者提高工作電壓，把能量密度做上去很容易，但是它的循環(huán)壽命、高溫存儲(chǔ)特性會(huì)比較差，同時(shí)它的安全風(fēng)險(xiǎn)也在加大，要解決這些問題的技術(shù)難度很大。”陳彥彬說。

目前國(guó)際上只有少數(shù)技術(shù)領(lǐng)先的公司進(jìn)行了動(dòng)力鋰電高鎳三元NCM622的開發(fā)，現(xiàn)在也僅有三五家實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。國(guó)內(nèi)大部分公司開發(fā)的NCM622材料堿性雜質(zhì)含量高、循環(huán)性能差、熱存儲(chǔ)穩(wěn)定性差，尚不能用于高端動(dòng)力鋰電池的生產(chǎn)。

“對(duì)三元材料來講，很大的一個(gè)問題就是因團(tuán)聚體顆粒的斷裂、粉化所產(chǎn)生的‘孤島’不能參與充放電過程，形成的裂縫新界面還會(huì)發(fā)生更多的副反應(yīng)，這些會(huì)導(dǎo)致鋰電池綜合性能的下降。要想有穩(wěn)定的顆粒結(jié)構(gòu)和優(yōu)秀的綜合性能，就要從前驅(qū)體開始進(jìn)行全流程系統(tǒng)設(shè)計(jì)。”陳彥彬說。

陳彥彬帶領(lǐng)研發(fā)團(tuán)隊(duì)，系統(tǒng)開發(fā)了高鎳材料制備的諸多關(guān)鍵技術(shù)，包括前驅(qū)體沉淀技術(shù)、燒結(jié)工藝、摻雜技術(shù)、表(界)面協(xié)同修飾技術(shù)，增強(qiáng)了顆粒體相結(jié)構(gòu)、表面與內(nèi)部界面穩(wěn)定性，使材料的循環(huán)壽命、存儲(chǔ)性能和安全性有一個(gè)大幅度的提升。

通過對(duì)關(guān)鍵工藝技術(shù)的不斷改進(jìn)，陳彥彬帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)攻克了高鎳三元材料產(chǎn)品的眾多行業(yè)關(guān)鍵難題，建立了一整套處于行業(yè)領(lǐng)先水平的產(chǎn)品設(shè)計(jì)及其清潔高效制造技術(shù)。

首先采用硫酸鹽體系連續(xù)法合成一定規(guī)格的高密度球形前驅(qū)體，所得的前驅(qū)體具有特定的粒度分布，良好的球形度、結(jié)晶度、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和顆粒強(qiáng)度，有利于制備綜合性能優(yōu)異的三元材料。

進(jìn)一步，將前驅(qū)體與碳酸鋰通過高效混合設(shè)備快速混合，在一定的燒結(jié)溫度曲線以及氣氛條件下進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)，使鋰鹽與前驅(qū)體充分接觸并完全反應(yīng)。燒結(jié)料經(jīng)過粉碎、分級(jí)，制備出微米級(jí)的超細(xì)粉體，再經(jīng)過多元素、多物相的表(界)面協(xié)同改性處理，大幅提升了材料的穩(wěn)定性，有效抑制了電解液在正極表面的氧化分解和對(duì)正極材料的侵蝕溶解等副反應(yīng)，達(dá)到提升材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性的目的，最終制備出綜合性能優(yōu)異的NCM622材料。

對(duì)于企業(yè)而言只有將實(shí)驗(yàn)室的研究成果產(chǎn)業(yè)化才能實(shí)現(xiàn)其商業(yè)價(jià)值。當(dāng)升科技的研發(fā)團(tuán)隊(duì)通過不斷優(yōu)化改進(jìn)制備工藝技術(shù)及設(shè)備，率先設(shè)計(jì)并建立了全自動(dòng)大產(chǎn)能全密閉的前驅(qū)體清潔高效生產(chǎn)線和正極材料生產(chǎn)線。

“這是國(guó)內(nèi)首條大產(chǎn)能、自動(dòng)化、無斷點(diǎn)、全密閉的前驅(qū)體生產(chǎn)線和正極材料生產(chǎn)線，設(shè)備流程采用立體布局，最大程度的利用重力作用來減少物流成本和人工;堿液、洗水實(shí)現(xiàn)了梯次利用，生產(chǎn)單耗大幅度降低;燒結(jié)窯爐單線產(chǎn)能比原來翻了倍，單位產(chǎn)品的能耗、人工等大幅度降低。”陳彥彬說。

工程化產(chǎn)業(yè)化，成果轉(zhuǎn)化促發(fā)展

我國(guó)鋰電正極材料行業(yè)從起步到現(xiàn)在才不過十余年的時(shí)間。在鋰電正極材料的制備技術(shù)方面，整個(gè)行業(yè)的技術(shù)水平不高。

項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)所研發(fā)的高能量密度NCM622正極材料，實(shí)用電池的常溫充放電壽命可達(dá)4000次以上，遠(yuǎn)高于國(guó)際同行2200次的水平，高低溫性能、安全性也大幅提高，該產(chǎn)品在2014年研發(fā)成功并出口國(guó)際高端鋰電市場(chǎng)，并在中高端電動(dòng)汽車上大規(guī)模應(yīng)用。

該項(xiàng)技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化不僅滿足了高端鋰電材料的市場(chǎng)需求，同時(shí)也推動(dòng)了國(guó)內(nèi)鋰電正極材料工藝技術(shù)從傳統(tǒng)制造向清潔高效自動(dòng)化智能化的方向發(fā)展。目前，當(dāng)升科技已擁有國(guó)際前十大鋰電客戶，是全球同時(shí)向中、日、韓高端鋰電池企業(yè)提供高品質(zhì)鋰電正極材料的兩家供應(yīng)商之一，對(duì)促進(jìn)行業(yè)整體水平的提高起到了示范引領(lǐng)作用。

項(xiàng)目的研發(fā)歷程也是近年來北京市高新技術(shù)企業(yè)科技創(chuàng)新的一個(gè)縮影，在北京市“10+3”高精尖產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策的指引下，這些科技型企業(yè)緊密結(jié)合首都發(fā)展新形勢(shì)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展新趨勢(shì)，把技術(shù)創(chuàng)新作為發(fā)展戰(zhàn)略的核心，不斷增強(qiáng)創(chuàng)新能力和核心競(jìng)爭(zhēng)力，為北京建設(shè)具有全球影響力的全國(guó)科技創(chuàng)新中心貢獻(xiàn)了重要力量。