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    李子郯:蜂巢能源無鈷正極材料開發進展及應用

    發布日期:2021-07-08

    核心提示:李子郯:蜂巢能源無鈷正極材料開發進展及應用

    鋰電現場圖3


       7月7日,2021中國國際鋰電產業大會(簡稱金磚鋰電論壇)在上海汽車會展中心順利召開。

    本屆金磚鋰電會議為期兩天,主題為以“新技術、新應用、新發展”為主題,采用“會議論壇+展

    覽展示+體驗營銷”三位一體的創新模式,多項重點活動同期同地舉辦,充分協同聯動,品牌效應

    和影響力大幅提升。

     

    李子郯出席論壇并發表主題演講——《蜂巢能源無鈷正極材料開發進展及應用》。

     李子郯

    以下為演講實錄:

     

        謝謝主辦方邀請,讓我跟同行分享一下蜂巢能源在層狀無鈷材料的開發進展和應用。

        
         今天我分享的內容就這五部分:   
     

        1、無鈷正極材料介紹

        2、無鈷正極材料開發進展

        3、無鈷電池開發進展

        4、無鈷正極材料發展方向

        5、蜂巢能源公司介紹

        

        一、無鈷正極材料介紹

        無鈷正極材料從廣義上講,沒有裹(音)的都是無鈷正極材料,包括磷酸鐵鋰、磷酸鐵錳

    鋰,還有尖晶石錳酸鋰、尖晶石鎳錳酸鋰、無鈷富鋰錳基的正極材料。

        今天著重講類似于鈷酸鋰和三元材料相同結構的層狀結構無鈷材料,實際上把三元的鎳鈷錳

    的鈷直接取掉,變成二元的鎳錳酸鋰。

        大家可以看到,各種無鈷正極材料的能量密度,層狀的大約能到70Wh/kg,富鋰錳基的錳最

    高,尤其是無鈷、低鎳的,其實目前的研發進展有諸多的缺點,主要是電壓降、循環差,可能還是需

    要著重解決的問題。   
     

        最后的鎳錳酸鋰是尖晶石型,它是5V的,其實電壓平臺對于石墨來講是4.5V。這款材料從材

    料層面講,鎳錳酸鋰開發得相對比較成熟,目前我們實驗室開發的,做到B樣的鎳錳酸鋰,EC容量達

    到將近140。

        其實理論容量密度148,跟尖錳一樣,所以材料做得很好,現在等待我們有5V的電解液支

    持。

        如果有高電壓電解液來支持的話,其實這款材料的能量密度甚至比磷酸鐵鋰高40%,成本和

    磷酸鐵鋰差不多。如果有高電壓電解液出現,這款鎳錳酸鋰的低成本還是很有希望的。

        這是層狀無鈷二元材料的結構,跟鈷酸鋰一模一樣,六方晶體結構。大家從三元熱穩定性的

    相圖可以看到,顏色越深,熱穩定性越好。

        如果把鈷去掉,我們就在下面那條線,鎳錳的比例處于中間值,比如0.5、0.65、0.75,熱

    穩定性很好,不像大家說的沒有鈷,熱穩定性不好,其實去掉鈷,做出來的材料熱穩定性還是很好

    的。

        我們從XRD得到無鈷正極材料氧離子混排比較高,尤其是鎳越多,氧離子混排越多,最高能

    達到7%、8%以上。尤其是摻雜元素的選擇,還有摻雜的工藝,盡量把去掉鈷的二元材料的氧離子混排

    效率減下來。

        這是國際上層狀無鈷材料研發的進展,二元的層狀無鈷材料在十多年前就開始開發,日本的

    專家做
    5050中鎳的無鈷層狀材料,在4.5V高電壓的情況下,發揮到200mAh/g,但循環比較差。

        美國教授用離子交換法,也是5050,容量也是不錯,但是倍率還是比較差。再一個離子交換

    法大批量量產的工藝非常困難,不如目前常見的高溫固相反應法。

        美國Goodenough教授也做過,他的理論是鎳含量在55左右,發揮的性能最好,而且循環非常

    好。

        近年來,國內往高鎳、超高鎳方向去發展。他們的實驗結果得出,在超高鎳的情況下,在鈷

    摩爾比(音)小于、等于
    25%的情況下,有鈷和沒鈷都一樣,甚至有鈷起到相反的,對性能優損害的

    作用,這個可能需要我們各個同行在超高鎳加以檢驗,到底有鈷性能更好,還是無鈷性能更好。

        實際上從成本上講,比如鎳在95%左右,成本上有鈷、沒鈷差不多,成本相差很少。

        二、無鈷正極材料開發進展。

        下面我著重介紹一下我們公司的層狀無鈷材料開發進展,從四部分作為材料設計:

        1、前驅體選擇。

        我們自己有自己的前驅體開發實驗室,第一個就是單晶化,這也是目前國內三元材料走得一

    條很好的道路,單晶高電壓化,現在市場上中鎳
    5系、6系高電壓的產品越來越多,而且裝車的Park電

    池系統越來越多。

        比如613做到4.4V,1/3 C的容量已經到190以上,跟現在的4.2V 8系能量密度幾乎差不多。

        2、元素比例。

        剛才我從三元熱穩定相圖可以看出來,鎳含量在50-80%之間做一個選擇,也可以做成系列

    化。

        3、摻雜。

        摻雜是鈷去掉之后,我們選擇什么樣的元素摻雜,取代鈷在結構里起的作用,這是很重要

    的。

        4、包覆。

        包覆是所有正極材料,包括磷酸鐵鋰是增加電導率。二元無鈷材料的包覆主要起到減少電解

    液的副反應,尤其是高電壓的體系。

        從這四部分,我們著手材料設計,這是早期開發的高鎳無鈷材料,這是多晶的,大概10個微

    米。

        0.1C模擬電池、半電池容量可以達到208mAh/g,循環性能50次循環,還是在97、98左右。

        這是無鈷中鎳,大約在50-60%鎳含量,循環性能幾乎不衰減,比高鎳的循環性能強多了,同

    時DSC的峰值溫度將近250度,體現出來熱穩定性非常好。

        這款是中高鎳的單晶產品,這也是蜂巢能源今年第二季度量產的材料,我們在模擬電池0.1C

    可以發揮在190mAh/g,EC在170-175之間。

        如果做成實際電池,方形電池三分之一C常溫的容量可以保持在180mAh/g,能量密度可以做

    到245Wh/kg,比8系的電池低3-5%的樣子。   

        三、無鈷電池開發進展。

        首先蜂巢能源在1.5倍的MEB這款電芯上開發無鈷電池體系,這是C樣,現在已經循環到1500-

    1600次,大約能保持在90%左右。

        我們的A樣已經循環到2500次,還保持在80%以上。這款材料在4.3V,比8系的體系高0.1V。

    突出的優點,一個是循環性能比8系強多了,至少達到2500次以上,高溫循環也非常好,能達到1500

    次以上。

        這是常溫和高溫的內阻性能,大家經常說缺了鈷,是不是對于電子導電率和離子導電率都有

    影響?比如選擇導電強的包覆劑,可以彌補鈷缺失的功率表現,實際電池的功率還是非常不錯。

        這是低溫的,零下20度的電池表現確實比三元電池來得差一些。

        這是安全性能的測試,首先這是熱箱,在130度輕輕松松過了,防爆閥沒有打開,也沒有起

    火爆炸,電池還是保持原樣。

        150度的情況下,熱箱防爆閥打開了,但是沒有明顯的火苗產生,所以安全性比8系好得

    多,8系電池140度熱箱過可能還是比較危險的。

        這是過充,我們在140%的SOC過充,其實防爆閥打開了,但是沒有起火,沒有明顯的火苗,

    這款電池就是1.5倍的MEB電芯。

        這是針刺,蜂巢能源采用疊片的工藝,所以電池里都是一片一片的,針刺的七層測試之后電

    池保持原樣,沒有起火,沒有明顯的熱失控。

        這是人為短路,短路的情況下,60度的環境下,通過人為短路,防爆閥沒有打開,電池保持

    原樣,沒有發生爆炸。

        從過充、針刺、短路等所有實際電池的表現,我們覺得比811體系的電芯安全性能好得多。

        四、無鈷正極材料發展方向。

        首先無鈷層狀繼續迭代,我們把鎳盡量往下壓,能把成本盡量降下去,同時提高電壓,能保

    持能量密度的不變。比如說現在是
    70%的鎳,降到50%的鎳,同時提高電壓,能量密度保持不變,成本

    也能下降10%左右。

        第二個是無鈷富鋰的正極,同時在做低鎳的無鈷富鋰,還有無鎳的無鈷富鋰,是純錳。錳這

    方面,北京大學的夏教授用離子交換法做的純錳酸鋰性能還是不錯,容量幾乎能達到
    250mAh/g,就是

    循環、電壓降是著重要解決的問題,在持續開發。

        第三個是無鈷尖晶石鎳錳酸鋰,從正極材料端來講還是相對比較成熟,以后看有高電壓電解

    液繼續開發電池體系、平臺體系。

        五、蜂巢能源公司介紹。

        蜂巢能源是2018年才成立,算是行業里的新軍,它是在2013年長城汽車底下建的動力電池事

    業部,經過五年的醞釀、發展,于2018年獨立出來,脫離于長城汽車,現在是長城汽車的兄弟公司,

    算是衛董事長的二次創業。

        蜂巢能源還是以做電池為主,電芯、模組、Park、MBS是主業。向上正極材料也有材料事業

    部,專門開發正極材料。

        再往上鋰鹽也布局了澳洲皮爾巴拉的鋰礦,同時在國內也入股了一些氫氧化鋰、碳酸化鋰的

    鋰鹽公司。

        同時前驅體、硫酸鎳方面也積極布局,往下還有儲能事業部,主要做儲能這一塊,無論是磷

    酸鐵鋰體系,還是鈉離子體系,上個月儲能事業部用的是中國海納的鈉離子體系裝了大的兆瓦級儲能

    電源。

        長城汽車的回收,責任主體還是歸在蜂巢能源,這是我們避不開的,回收計劃和前驅體綁定

    在一塊共同做。

        目前蜂巢能源經過三年多的發展,現在員工有4000+,其中52%是研發人員,超過500名外聘

    專家,已經將近30億的研發投入,計劃在2025年要建成200G以上的電池生產線。

        目前在四川的遂寧、安徽的馬鞍山、江蘇溧水、浙江湖州都在布局電池工廠。

        這是保定的研發中心,這是蜂巢能源成立的根據地,現在也是最重要的技術中心。這是無錫

    的研發中心。

        這是常州電池工廠,這是蜂巢能源第一個量產工廠,一期4GWh已經建完,二期8GWh三條線

    已經安裝
    80%的進度,大約今年第三季度完全安裝完畢。

        左側廠房是正極材料的工廠,我們在常州工廠和正極材料規劃2萬噸的每年規模,供給蜂巢

    能源22GWh電芯的需求量。

        歐洲電池工廠選址已經選定完了,在德國一個地方,前期先做一個Park廠,來共用歐洲的客

    戶,總投資大約20億歐元。

        第二步做電芯,甚至正極材料,因為有些歐洲的客戶有硬性的規定,我買你的產品,電池和

    正極材料必須都在歐洲本土化,這是正極材料一期的生產線。

        這是遂寧的智能制造工廠,目前已經開建,可能正在基建過程中。

        這是馬鞍山生產基地,在第三季度,第一條無鈷電池生產線,即將在馬鞍山投入使用,大約

    在第四季度
    115安時的這一款無鈷電池裝在長城汽車某一款車上,第四季度面向客戶對外銷售。這是

    全國甚至全球第一款層狀無鈷材料做的電池,應用到實際的汽車上。

        感謝!我就介紹到這兒!謝謝大家!

        

    (注:本文根據現場速記整理,未經演講嘉賓審閱,僅作為參考資料,請勿轉載?。?/span>

     
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